Животные анализируют мир

Как, вероятно, уже все знают, развитие любого живого существа идет по заранее намеченному плану. В каждую клетку организма как бы заложена своего рода перфокарта (генетическая программа), на которой записаны «инструкции» о строении всего организма. В то же время разные органы — и печень, и легкие, и почки, и сердце, — несмотря на то что в каждой клетке заложен одинаковый код, различны по своей форме и по своему биохимическому составу.

Осуществляться это может при условии, что в каждой клетке работают или выдают информацию только те участки дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, в которых хранится запись именно об этом органе. Остальная часть генетической программы, хотя она и присутствует, выключена или репрессирована.

Здесь мы сталкиваемся с очень загадочным и таинственным процессом. Как идет управление выключением одних участков ДНК и включением других в строгом соответствии с пространственным расположением клеток? Какими приборами контролируется этот механизм? Как из одной клетки получаются две клетки с разной пространственной программой? Грубо говоря, надо выяснить, когда наступает тот момент, при котором клетка, разделившись на две, даст клетку, потомки которой образуют печень, и вторую, потомки которой образуют почки?

Ответить на эти вопросы — значит решить первую половину проблем биологии развития: как одинаковое становится разным, то есть как дифференцируются клетки. Решения указанной задачи требует не только чисто научный интерес, но и сама жизнь, ибо многие болезни, неправильное развитие органов и другие врожденные дефекты есть не что иное, как нарушение дифференцировки клеток, разрегулирование тончайшего механизма, управляющего специализацией клеток.

Механизм дифференцировки можно начать рассматривать с одноклеточных животных (простейших) и одноклеточных водорослей. Природа как бы подарила экспериментатору клетки с довольно сложной структурой и гармоничной формой, и притом очень больших размеров.

В капле воды плавает голубоватая точка, видимая невооруженным глазом. Под микроскопом, даже при небольшом увеличении, она превращается в голубоватый рог. Это инфузория-трубач, или стентор. Размеры трубача (он может быть более 0,5 мм) позволяют резать его на части. Через несколько часов округлившиеся части клеток на наших глазах превращаются опять в самого настоящего трубача, только меньших размеров.

Это регенерация клетки или восстановление, во время которой происходит пространственная дифференцировка различных участков трубача. Каждая часть в пространстве дает свою форму: в одном месте появляются реснички и образование, похожее на раструб, в другом, наоборот, происходит сужение заднего конца. Какие же приборы следят за формой восстанавливающейся клетки и откуда подается команда, как вести себя той или иной части клетки? Попробуем разобраться.

Видимо, сигналы идут от клеточного ядра и ДНК, заключенной в нем. Высказанное предположение подтверждается экспериментом. Если удалить ядерный материал из кусочка восстанавливающегося стентора, регенерация прекратится, кусочек округлится и погибнет. Значит, получается, что пространственной дифференцировкой заведует ядро и заключенный в нем генетический материал? Похоже, что так. Но как можно, используя линейный генетический код, предопределить местоположение каждой точки трубача в пространстве? Да еще провести пространственное кодирование в зависимости от размеров куска, из которого идет регенерация. Ответить на эти вопросы очень трудно, но предположить, что помимо генетического кода пространственной дифференцировкой управляют и другие факторы, можно. Тогда генетический код можно рассматривать как шифр, без которого невозможна регенерация и развитие живых форм.

В пользу необходимости присутствия генетического материала при формообразовательных процессах говорят также опыты с ацетобулярией. Ацетобулярия — водоросль одноклеточная, но клетка имеет внушительные размеры — два сантиметра, а иногда и больше. Внешним видом ацетобулярия напоминает маленький грибок или зонтик на тонкой ножке, а внизу, как корешки, расходятся так называемые ризоиды, служащие для прикрепления к субстрату. Казалось бы, ничего особенного — перед нами водоросль, похожая на грибок, но это сложно устроенный по пространственной дифференцировке организм, состоящий всего лишь из одной клетки.

Ядро ацетобулярии находится в одном из ризоидов. Стоит микроскальпелем отрезать ризоид с ядром, и ацетобулярия станет безъядерной клеткой. Умрет ли она после этого? Оказывается, нет. Живет, да еще способна к регенерации. Отрежем у нее зонтик, он восстановится, но только один раз. А у клетки с ядром, сколько бы ни отрезали зонтик, он всегда будет восстанавливаться. О чем это говорит? О том, что ядро синтезирует впрок необходимые для регенерации вещества. Но этих веществ не так-то уж много — у безъядерной ацетобулярии хватает только на одну регенерацию.