Биологические предпосылки

Область биологии, изучающая рост и развитие, считается наиболее "бесформенной", не имеющей четких границ или набора определенных критериев, которыми обладают многие другие науки. Симптоматично, что у этой области даже нет подходящего, общепринятого названия. Термин "морфогенез", например (первым, кто стал широко использовать этот термин, был, вероятно, Геккель [17]), обычно используют для указания на развитие отдельного органа, особенно становления его формы, и поэтому он мало подходит в качестве более общего термина. Термин "эмбриология" тоже узок, поскольку он не охватывает более поздние стадии развития; кроме того, этот термин подразумевает также, что исследуются только животные, развивающиеся из зародышей (эмбрионов), а многие виды организмов, имеющие не меньшее значение для изучения развития, остаются вне сферы внимания; например, такие организмы, как гидроидные полипы, развиваются из почек на родительской особи, а большинство растений может развиваться из отдельных участков ткани или даже из одной клетки. Термин "механика развития" (буквальный перевод названия "Entwicklungsmechanik") [18] подчеркивает физико-механическую сторону исследуемых процессов, а название "физиология развития", которое использует Равен [19], хотя и было задумано как более широкий термин, невольно выдвигает на первый план физиологические аспекты развития. Термин "эпигенетика", предложенный Уоддингтоном [20], пытавшимся обойти именно эту трудность, тоже не вполне удовлетворяет нас, поскольку он подчеркивает генетический аспект, а кроме того, подразумевает приверженность к эпигенетической теории (см. гл. 3). Далее, ни принятый английскими учеными термин "каузальная морфология", ни термин "онтогенетика" не являются вполне подходящими и в сущности использовались до сих пор очень мало, хотя, возможно, в некоторых отношениях термин "онтогенетика" - наиболее подходящий из всех и отделяет изучение развития от изучения эволюции, или "филогенеза". Все это создает ситуацию, аналогичную той, которая была в кибернетике перед тем, как было создано само слово "кибернетика". В остальных главах этой книги для обозначения области биологии, занимающейся всеми сторонами развития всех организмов, мы будем употреблять термин "биология развития".

Биология развития, таким образом, охватывает очень большую область, и именно ее обширность затрудняет возможность увидеть ее в перспективе. "Морфогенез", говорит Синнот, имея в виду эту область,- это "такая широкая область исследования, связанная с большинством разделов биологии, что скомпоновать все ее факты и проблемы так, чтобы получилось стройное и логичное изложение, представляет собой очень трудную задачу" [21]. Дальше он говорит, что "ни один человек ... не может с полной компетентностью дать авторитетную и информированную оценку относительной значимости большого разнообразия описанных здесь исследований" [22].

Одна из причин такой обширности состоит в том, что не существует стандартных животных, на которых можно было бы изучать биологию развития как таковую; наоборот, все 'сведения, которыми мы располагаем, представляют собой побочный результат изучения различных видов, проводившихся с иными целями. Конечно, одни виды организмов изучены лучше, чем другие; например, животными занимались гораздо больше, чем растениями, причем таких животных, как морской еж, гидра и зародыш цыпленка, изучали специально с точки зрения развития. Изучались и некоторые культуры тканей. Но нет животного, которое было бы таким стандартом, как серая крыса или шимпанзе, для теории обучения в психологии. Все животные, служившие объектами эмбриологических исследований, так сильно отличаются друг от друга по особенностям развития, что трудно наметить какие-либо общие принципы. Здесь мы столкнулись с общей трудностью, присущей этой области: если утверждения относятся к одному организму, то они пригодны лишь для данного случая, и их трудно обобщить; если же делается утверждение относительно всех организмов, то находится так много исключений, что утверждение теряет силу. Это не означает, что нет никаких универсальных Принципов, лежащих в основе развития вообще, и, по-видимому, эти основные принципы такого рода, что их взаимодействие с другими факторами в разных Животных приводит к совершенно различным результатам. Трудность, о которой мы говорим, существует во всех науках, но она особенно серьезна в биологии развития. Ответ, конечно, состоит в том, чтобы начать с максимально общих и самоочевидных аксиом, даже если при этом они кажутся тривиальными, и строить модели на основе этих аксиом. Можно надеяться, что таким образом не только удастся понять общие принципы, но и можно будет показать, как, добавляя дополнительные условия, можно моделировать различные конкретные организмы.

Типичным следствием отсутствия резких границ и отчетливых форм в биологии развития является то, что вопросы о развивающихся организмах можно ставить многими взаимосвязанными способами, а из-за этого трудно понять, какие вопросы основные, а какие лишь второстепенные. Вот, например, типичный список такого рода:

Что касается отдельных организмов, то мы спрашиваем: как это получается, 
что размеры, форма, строение, скорость развития и функции разных частей 
детерминированы и ограничены? Почему из почки передней конечности вырастает 
рука, а из почки задней конечности - нога? Почему клетка одного и того 
же типа, попав в одну область тела, становится частью эпителия почки, 
попав в другую, становится нервной клеткой, а попав в третью, входит в 
состав радужной оболочки глаза? Почему субэпидермальная клетка листа 
становится центром синтеза пищи, тогда как в цветке она становится материнской 
клеткой мегаспор, несущей функцию воспроизведения? Почему клетки, окружающие 
рану в здоровом организме, вовлекаются в упорядоченный процесс грануляции, 
который приводит к заживлению раны с образованием плотной рубцовой ткани на 
месте поврежденной области, а в организме ракового больного, даже в удаленном от 
опухоли участке тела, клетки такой же раневой области могут вдруг дать начало 
бурному, неупорядоченному, нерегулируемому и в конечном итоге гибельному 
для них самих росту [23].

Какие же основные вопросы все-таки надо ставить о развивающихся организмах? Очевидно, они должны быть насколько возможно общими и не относиться вначале к каким-то определенным видам. Однако выбор основных вопросов, которые надо решить, не только труден, но и составляет в каком-то смысле самый важный этап такого рода исследований. Также имеет значение и формулировка вопросов: плохо поставленные вопросы труднее решить, а трудные вопросы часто становятся легче, если их изложить на более подходящем языке.

В следующих разделах этой главы делается попытка ввести некоторые основные аксиомы развития организмов, на основе которых в следующих главах будут построены модели, а также выделить некоторые основные вопросы, которые наши модели, быть может, помогут прояснить.

Но прежде всего мы для удобства ссылок остановимся в этом разделе на некоторых терминологических вопросах биологии развития и посмотрим, какого рода эксперименты производились до сих пор.

Не следует удивляться тому, что, как уже было сказано, терминология биологии развития не вполне последовательна: один и тот же термин разные авторы употребляют в разных смыслах, а одно и то же понятие могут называть по-разному.

Общепринято, однако, что следует четко различать "рост" и "развитие", поскольку под словом "рост" понимают простое увеличение размеров, а термин "развитие" употребляют, когда имеют в виду также и все другие процессы, в результате которых из зиготы получается зрелый организм; важнейшие из этих процессов объединяют словом "дифференцировка". Короче всего разницу между ростом и дифференцировкой сформулировал Вейс: ""Рост" означает увеличение числа элементов одного сорта, "дифференцировка" означает увеличение числа сортов" [24]. (Именно наличием дифференцировки органический рост отличается от неорганического, например от роста кристаллов.) И рост, и дифференцировка могут встречаться в растущих организмах по отдельности, и поскольку рост происходит в основном благодаря делению клеток, эти два процесса в некотором смысле взаимно исключают друг друга, так как клетка перед делением на время дедифференцируется. Тем не менее если иметь в виду более длительные периоды и организм в целом, то увеличение размеров и дифференцировка обычно происходят одновременно, и, следовательно, их можно рассматривать как два основных процесса в развитии. (Здесь можно привести пример неоднозначности терминологии в биологии развития: под словом "развитие" иногда понимают "дифференцировку", а иногда рост и дифференцировку вместе в противоположность одному росту. Именно этот второй смысл мы придаем здесь термину "биология развития".)

Понятию "роста" можно дать много разных определений, основанных на увеличении числа клеток, увеличении количества протоплазмы или какой-либо ее составной части, относительное содержание которой в протоплазме предполагается постоянным (например, содержание азота).

Если уж существует более одного способа для определения "роста", то не удивительно, что существует много способов для определения "дифференцировки". Чайлд заметил, что "понятие дифференцировки, быть может, наименее определенно и его без разбора применяют ко всему связанному с развитием" [25]. Одна из причин этого состоит в том, что система может быть названа дифференцирующейся во многих различных аспектах и эти аспекты не обязательно должны быть связаны друг с другом. Это приводит к различным системам классификации с различными категориями. Возможно, классификация Уоддингтона является типичным примером, и более полезным, чем многие другие классификации [20, 27]. Он различает четыре основных типа дифференцировки: гистогенез (биохимическая специализация в массе живого вещества), регионализация (увеличение числа различных областей в растущем эмбрионе), морфогенез (превращение бесформенной массы ткани в упорядоченную структуру) и образование пространственной структуры (Pattern Formation), чтобы отличать различные пространственные части и их геометрические соотношения. Далее он определяет различие между гистогенезом и регионализацией, говоря, что второе означает различие между двумя пространственно обособленными, но одновременно существующими частями, тогда как первое означает различие между двумя временными состояниями одной части.

Не вполне ясно, что именно Уоддингтон понимает под "образованием пространственной структуры", и, в сущности, он редко употребляет это выражение. Тем не менее мы полагаем, что этим термином удобно пользоваться для обозначения пространственной организации организма в целом. Приняв такую интерпретацию, можно затем различать два вида образования пространственной структуры. Пусть, например, несколько игральных костей выложено в цепочку, так что каждая касается следующей, и пусть У всех шестерка сверху. Теперь можно двумя разными способами изменить пространственную структуру этой цепочки. С одной стороны, в разных ее частях кости можно повернуть наверх разными гранями и образовать разные комбинации цифр; с другой стороны, можно изменить вид самой цепочки, так чтобы она образовывала разные геометрические фигуры: например, можно сделать ее короче, а из оставшихся костей составить различные боковые отростки и т. п. Можно, конечно, произвести одновременно изменения обоих видов. На биологическом языке первый, способ можно интерпретировать как регионализацию в смысле Уоддингтона или, что важно, как "саморазметку" - предварительный этап, предшествующий регионализации. Тогда второй способ соответствует изменениям формы или характера связей в организме. Назовем изменения первого типа "функциональной дифференцировкой", поскольку они затрагивают способы, которыми клетки себя ведут или могут вести, а изменения второго типа - "пространственной дифференцировкой". В гл. 5 и 7 мы будем заниматься в основном первым типом изменений, а в гл. 6 - вторым, который упомянем также в разделе "Возможные направления дальнейших исследований" гл. 8.

Конечно, естественно ожидать, что оба типа изменений сочетаются и связаны друг с другом при морфогенезе, так как форма органа и функция составляющих его клеток тесно связаны. Однако можно показать, что эти два типа дифференцировки не всегда бывают связаны. Однородная масса ткани может быть функционально дифференцирована, и, наоборот, функционально однородная ткань может иметь очень сложную форму. Нельзя также забывать, что функциональная дифференцировка может привести к пространственной дифференцировке, если функциональное различие между клетками состоит в том, что в какой-либо области одни клетки продолжают делиться, а другие прекращают деление; подобно этому пространственная дифференцировка может привести к функциональной, если функция клетки в какой-то мере зависит от ее положения в пространстве. Во всяком случае, обе эти формы дифференцировки представляют собой разные стороны все усложняющейся пространственной структуры развивающегося организма.

Учитывая все это, бросим беглый взгляд на общую область биологического развития, чтобы узнать, какие методы исследования развития существуют. Мы можем различить три разных экспериментальных подхода:

1. Самый старый подход, восходящий к Ру [26], - это "механика развития". При этом подходе изучается физико-механическое взаимодействие изменяющихся структур. Раньше этот подход привлекал мало внимания, и только в самое последнее время интерес к нему оживился. Густафсон и Вольперт [28], например, показали, как простые физические изменения в развивающемся организме морского ежа могут иметь далеко идущие и сложные физические последствия.
2. Быть может, самым значительным подходом за последние сорок лет был тот, который берет свое начало из работы Шпемана и из его концепции "организатора" [26]. Работая с яйцами тритона и разрезая их пополам на разных стадиях развития, он обнаружил, что если разрезать яйцо на стадии гаструлы, то только из одной половинки развивается полноценный зародыш. Далее оказалось, что половинка, дававшая нормальный зародыш, всегда содержала дорзальную губу бластопора и что клетки этой области необходимы для возникновения организации [20]. Поэтому дорзальная губа бластопора получила название "организатора". Это дало начало двум общим направлениям исследования:
   • биохимическим исследованиям, связанным с анализом химической природы организатора в зародышах различных животных, а также анализом индукторов вообще;
   • исследованиям, связанным с хирургическими операциями на развивающихся зародышах с целью точного определения участков, играющих роль организаторов у разных организмов.
3. После недавних работ Уотсона и Крика [30, 31], Кендрью [32] и Перутца [33] наибольшую известность приобрел генетический подход, и за последние десять лет в этом направлении были сделаны стремительные успехи. В частности, Уилкинс, Уотсон и Крик, используя современный рентгеноструктурный анализ, обнаружили спиральное строение ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В последние годы была также установлена общая картина передачи информации от находящейся в ядре ДНК к информационной РНК (рибонуклеиновой кислоте). Информационная РНК в свою очередь служит матрицей для полимеризации в определенном порядке аминокислот на рибосомах эндоплазматического ретикула. К рибосомам эти аминокислоты доставляются с помощью транспортной РНК^*.

^* (В оригинале в этом месте автор допустил неточность, которая исправлена при переводе.- Прим. перев.)

Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образуют специфические белки, в частности ферменты, необходимые для синтеза других белков. Таким образом, установлена функциональная природа отдельной клетки.

В общем можно сказать, что каждое из этих направлений исследования особенно подходит для изучения одного типа дифференцировки. Если принять приведенную выше классификацию Уоддингтона, то, грубо говоря, генетический подход наиболее целесообразен для изучения гистогенеза и регионализации, хирургический - регионализации, а механика развития -для изучения морфогенеза. Интересно отметить, что ни один из этих подходов, по-видимому, не пригоден для изучения "образования пространственной структуры", как мы его определили, и, в частности, для исследования пространственной дифференцировки.

Следовательно, вряд ли какой-либо из этих подходов сам по себе позволит получить ответ на вопросы о характере или организации развития в организме как целом. Например, изучение генетики как таковой, а не как части более общей теории организации может помочь лишь понять организацию отдельных клеток. Как писал Синнот: "Что касается изучения действия генов, то хотя оно и проводилось интенсивно, но до сих пор было связано главным образом с исследованием влияния генов на процессы обмена специфических веществ или на их синтез. Вопрос о том, каким образом гены контролируют соотношения при развитии и, следовательно, возникновение органической формы, представляет собой почти неисследованную область" [34]. Он говорит также, что "объяснить надо не химические изменения, а их соотношения" [35]. Нечто подобное писали Густафсон и Вольперт: "Было затрачено много усилий на выявление биохимических особенностей развития, например времени и места синтеза белков и нуклеиновых кислот, несравненно меньше внимания уделялось причинному анализу сил, управляющих взаимным расположением клеток, и тому, какую роль играют молекулярные процессы в формировании эмбриона" [36]. К этому можно прибавить, что изучение только физического механизма тоже вряд ли сможет объяснить образование пространственной структуры, если только кто-нибудь не объяснит, каким образом вначале возникают различия между клетками. То есть основной вопрос состоит скорее в выяснении того, как структура возникает сначала на уровне организации (как происходит "саморазметка" клеток), чем в установлении природы физического механизма, осуществляющего этот план, хотя этот механизм и может даже приводить к увеличению сложности (см. гл. 8). Точное установление местоположения организатора тоже никак не помогает ответить на вопрос, почему вначале организатор возникает именно на этом месте, а не на другом.

Совершенно очевидно, что поведение клетки зависит от ее положения в общей структуре эмбриона и что, следовательно, взаимодействие клеток имеет решающее значение. В пользу этого утверждения свидетельствует, например, тот факт, что клетки в культурах тканей ведут себя иначе, чем в живом организме. Это следует и из классического эксперимента Дриша [37], в котором он показал, что изолированные клетки, взятые из яйца на ранней стадии развития, могут развиться в целый организм; это означает, что в этом эксперименте они развивались иначе, чем если бы они оставались в яйце и подвергались ограничивающему влиянию других клеток. И, конечно, это с полной очевидностью следует из работ об индукторах, эвокаторах и т. д. Учитывая это, можно ожидать, что изучение эмбриональных организаторов и способов их связи с тканями, развитие которых они но меньшей мере частично определяют, должно быть крайне важно для изучения организации. К сожалению, однако, как мы видели, работа в этой области сосредоточивалась в основном на изучении отдельных частей организма на определенной стадии развития, а не на общей схеме взаимозависимости этих частей, т. е. на общем облике организма. Как сказал Уоддингтон:

Ясно, что мы недалеко ушли в попытках объяснить общее явление 
образования пространственной структуры, просто сказав, что оно 
обусловлено действием каких-то предструктур на компетентные ткани. 
Если окажется, что образование балансера в определенном месте у 
головастика или волоска в определенном месте на груди у дрозофилы 
обусловлено взаимодействием между компетентной тканью и индуцирующим 
полем, то это представит интерес для механики развития балансера и 
волоска, но нисколько не прояснит вопроса о том, как возникла эта 
структурная организация. Вопрос, над которым действительно надо 
биться,- это как возникает предструктура или индуцирующее поле [38].

И в заключение он добавил, что, "вообще говоря, мы почти ничего не знаем о механизмах образования пространственной структуры в биологических системах" [39].

Подведем итог: проблема образования пространственной структуры является фундаментальной проблемой развития, и этой проблеме до сих пор в биологии уделялось сравнительно мало внимания; далее, ни один из применяемых ныне в биологии развития экспериментальных подходов, ни даже все они вместе не способны, по всей видимости, решить эту проблему при отсутствии какого-либо способа понять организацию развития, и кибернетика, возможно, способна помочь найти такой способ. "В изучении роста и развития не хватает не просто накопления новых данных, но более точного описания и более глубокого анализа данных с более точной абстрактной схемой взаимоотношений" [40].

Это не означает, что в биологии развития нет никаких теоретических работ, но тем не менее в целом они по той или иной причине неудовлетворительны. Одну из теорий предложил Чайлд [25], чья героическая попытка объединения биологии развития напоминает усилия Халла в психологии. Основная идея Чайлда состоит в том, что, хотя вначале организм представляет собой однородную массу, окружение, если оно различно с двух его сторон, может создать внутри него полярную ось. Тогда, коль скоро такая ось возникла, дальнейшая дифференцировка может происходить на ее основе и организм как целое может начать развиваться. К сожалению, хотя Чайлд приводит много доводов, показывающих, как под внешним влиянием в организме могла бы возникать поляризация, трудно отделаться от впечатления, что как объяснение развития все это несколько надуманно. Еще важнее то, что Чайлд не объясняет сколько-нибудь точно, как из поляризации в дальнейшем возникают более сложные структуры.

Широкое распространение в биологии развития приобрела концепция морфогенетического "поля". Авторы теорий, использующих эту концепцию (Гурвич [41]^*), утверждают, что вокруг формирующейся структуры существует особое "поле", благодаря которому она и развивается должным образом. Однако эта концепция значительно уступает в точности любой из концепций Чайлда, и сам Чайлд критиковал ее следующим образом: "...ссылаться на поле - значит просто выражать экспериментальные данные через что-то неизвестное, через понятие, не имеющее определенного содержания, и, значит, это поле - почти только лишь словесная уловка" [42]. Поистине удивительно, что столь туманная идея, предлагающая лишь поверхностное объяснение, столь широко использовалась эмбриологами.

^* (В цитируемой здесь работе А. Г. Гурвича дано изложение лишь самых общих принципов теории поля. Более полные и развитые изложения имеются в следующих работах: A. Gurwitsch, Die histologischen Grundlagen der Biologie. Iena, 1930; "Теория биологического поля", M., 1944.- Прим. ред.)

Главное то, что ни одно теоретическое утверждение в биологии развития еще не было реализовано в виде эффективной модели, которая могла бы показать, верно ли оно на самом деле, и даже те модели, которые были предложены, не были эффективными^*. Это относится, например, к предложенной Роузом [43] интересной модели образования пространственной структуры. Эта модель основана на предположении о существовании в организме некоего градиента скоростей метаболических реакций, так что из ряда последовательных реакций конечная реакция наступает раньше всего в том участке, где скорость метаболизма наибольшая. Если продукты этой реакции по истечении некоторого времени не только подавляют ее саму, но и способны диффундировать в соседний по направлению градиента участок и там тоже вызвать подавление этой реакции, то этот второй участок будет характеризоваться предпоследней реакцией. Если эта реакция обладает тем же свойством, то следующий участок будет характеризоваться предпредпоследней реакцией и т. д. Теперь, если удалить часть первого участка, то содержание продукта первой реакции упадет, что позволит этой реакции начаться в некоторых клетках второго участка и так далее, так что организм регенерирует, причем исходная структура сохраняется, не взирая на изменение величины,- во всяком случае, это утверждается, и, конечно, на первый взгляд модель выглядит правдоподобной. Однако примечательно, что Роуз не указал никаких условий на скорости хода реакций, подавления и диффузии, чтобы действительно получался такой результат. Автор пытался придать модели Роуза эффективный вид и пришел к убеждению, что в ней есть принципиальные недостатки, которые выявляются при таких более строгих требованиях. Самый важный из них состоит в том, что принцип свободной диффузии веществ, постулируемый Роузом, видимо, приводит в конце концов к тому, что все продукты реакций распределяются по всей ткани, и это скорее подавляет дифференцировку, чем обусловливает ее. Роузу остается лишь доказать с помощью какой-то эффективной модели, что его модель работает так, как он думает.

^* (Подробное изложение теории Гурвича, которое может быть использовано для эффективного моделирования, имеется, например, в книге "Физические и химические основы жизненных явлений", Изд. АН СССР, 1963, стр. 59-117.- Прим. ред.)

Аналогичными недостатками обладают и неэффективные модели образования пространственной структуры Бравермана [44] и других авторов.

К счастью, однако, мы можем сказать, что биологи быстро начинают сознавать необходимость объединения данных, полученных из разных источников, особенно в такой области, как развитие, а также необходимость рассмотрения проблем в целом. В соответствии с этим, например, Дин и Хиншелвуд заявили:

Мы настаиваем на том, что интенсивная работа с отдельными частями 
сложной машины не только недостаточна, но и может вводить в заблуждение, 
если не обращать внимания на то, как они соединены ... нынешние идеи 
будут максимально плодотворны только при таком их объединении, при котором 
они не будут просто описаниями участков машины, которую нельзя пустить в ход [45].