double arrow

Элементарные системы клеточной регуляции


С элементарным циклом регуляции формообразования мы познакомились подробно на примере одноклеточной водоросли Асе-tabularia. Однако те же взаимозависимости между ядром и цитоплазмой вскрываются с полной ясностью и на ранних стадиях развития зародыша беспозвоночных животных. Всегда видовая (генотипическая) специфика активных веществ цитоплазмы (РНК и энзимов), синтезируемых при взаимодействии ядра и плазмы, определяется именно генетическим составом ядра. Активные вещества цитоплазмы играют решающую роль в обмене веществ, ведущем к образованию разного рода метаболитов, а через это и в дальнейшей дифференцировке клеток, определяющей их функции и поведение (в частности, миграцию). С другой стороны, во многих случаях доказано и наличие обратного влияния — цитоплазма влияет на ядро и изменяет его функции. Это влияние может иметь характер необратимого изменения — прочной диф-ференцировки. Это мы видели при дроблении яйца аскариды (диминуция хроматина в соматических клетках), это можно установить в развитии разных органов у насекомых (полиплоидия в различных тканях и органах, в частности в эпидермальных; политения в слюнных железах двукрылых). Вероятно, то же самое происходит у большинства высших животных, и только технические трудности не позволили пока доказать это с полной достоверностью.




Возможно, что во многих случаях цитоплазма оказывает на ядро лишь обратимое влияние (например, у асцидий), однако некоторое влияние, очевидно, имеется всегда, и всегда это ведет к изменению процессов синтеза, которые принимают разное направление в различно дифференцированных клетках. Это выражается не только в продукции специфических метаболитов, но и в образовании органоспецифических активных субстанций РНК, видовая специфика которых, несомненно, определяется ядерной ДНК (может быть, через посредство ядерной РНК).

Взаимодействие между ядром и цитоплазмой имеет своим непосредственным результатом лишь клеточнуюдифференцировку,


Глава IX. Регуляция формообразования на разных уровнях 33?

которая различна в разных тканях и органах. Вместе с тем, в любом органе, в любой ткани эти дифференцировки отличаются и видовой (генотипической) специфичностью, что ясно обнаруживается в характерных видовых признаках и в уклонениях, связанных с мутациями. Эта специфика как в норме, так и в уклонениях определяется влиянием ядра в элементарной системе клеточной регуляции.

Однако особенности строения органа в целом, его функций и его развития определяются организацией высшей формообразовательной системы, охватывающей регуляторные механизмы отдельных клеток.

2. Системы органотипической регуляции

Основным элементом высших формообразовательных механизмов является индукционная система из двух взаимодействующих частей, из которых обычно одна часть выделяется активностью в своем воздействии на другую часть (индуктор), а другая — реактивностью, т. е. освобождением внутренних запасов энергии. Последнее выражается в формообразовательных движениях и развитии характерных структур зачатка органа. Мы установили, однако, что в таких системах дело не сводится к простому возбуждению (активации) и одной ответной реакции. Мы можем лишь условно говорить об индукторе и реакторе. В процессе взаимодействия они постоянно меняются своими местами. Всегда реагирующая часть оказывает и обратное влияние на индуктор, да кроме того, и сама приобретает значение индуктора для других частей. В зачатках органов устанавливаются всегда очень сложные взаимозависимости.



Характер клеточного метаболизма определяется не только взаимодействием ядра с теми субстанциями, которые получены клеткой от цитоплазмы яйца (это характерно лишь для чисто мозаичного развития, не создающего ничего принципиально нового). Клеточные перемещения и, прежде всего, процесс гаструля-ции приводят к новым соотношениям с внешней средой. Клетки вегетативной половины оказываются внутри зародыша. Из клеток анимальной половины у амфибий значительная их часть также перемещается с поверхности зародыша внутрь и располагается теперь сплошным слоем (хордомезодерма) под эктодермой спинной части зародыша. Устанавливаются, таким образом, новое положение по отношению к внешней среде и новые соотношения между частями зародыша. И то и другое ведет к изменению клеточного метаболизма и к новым дифференцировкам. В дифферен-Цировке частей глазного бокала определяющее значение имеет снабжение кислородом внешней его стенки, которая дает начало пигментной оболочке, и накопление продуктов обмена во внутренней стенке, которая дифференцируется в ретину. В развитии осе-




S38 Регуляция формообразования в индивидуальном развитии

вых органов зародыша ведущее значение имеет контакт между хордомезодермой и эктодермой, во время которого происходит передача индуцирующих субстанций от первой ко второй, а затем, очевидно, и взаимный обмен метаболитами. Качественные различия внутри нервной пластинки индуцируются чисто количественными различиями в распределении активных веществ хор-домезодермы по осевому градиенту. Такие различия, как и количественные различия в метаболизме вызывают нередко типичную формообразовательную реакцию на известном уровне. В эволюции вырабатываются пороговые уровни нормальных реакций и другие механизмы, защищающие развитие установившейся нормальной организации.

Таким образом, по мере развития устанавливаются новые соотношения и новые связи, которые в свою очередь ведут к дальнейшему усложнению соотношений, к новым дифференцировкам. Эти формообразовательные процессы ведут к прогрессивной организации всего зародыша. Контроль и регуляция в формообразовании частей и органов зародыша осуществляются по принципу обратной связи от формирующегося зачатка к тем частям зародыша, которое индуцируют развитие данного зачатка (т. е. от нервной пластинки к хордомезодерме, от ганглиев к мускульным сегментам, от хрусталика к ретине, от зачатка конечности к боковой пластинке и т. д.).

Все органоспецифические дифференцировки осуществляются, однако, через клеточный метаболизм, и все они имеют генотипи-ческую специфику, т. е. все они определяются унаследованной нормой реакций. Таким образом, мы вновь возвращаемся к системе клетки и взаимодействию между ядром и цитоплазмой. Однако это взаимодействие осуществляется теперь на новом уровне — на уровне органотипической организации. Эта организация означает надстройку над клеточной организацией, и механизм, регулирующий ее развитие, охватывает элементарные механизмы регуляции как нечто качественно новое. Взаимодействия частей ведут к новым положениям, которые без этого никогда бы не осуществились. Новые связи ведут к новым дифференцировкам, которые определяются именно этими связями, хотя и реализуются через посредство преобразований в клеточном метаболизме. Реакции клеток осуществляются в новой обстановке и приобретают соответственно новую органотипическую специфику (хотя все реакции входят в унаследованную норму реагирования).

В развивающемся организме формообразовательные системы достигают большой сложности и в значительной мере взаимодействуют между собой. В этих взаимодействиях осуществляется взаимный контроль и регуляция развития всего организма в целом.


Глава IX. Регуляция формообразования на разных уровнях 339

3. Охватывающие системы регуляции формообразования всего организма вцелом

Системы регуляции формообразования всего организма в целом наименее изучены. Их существование подсказывается скорее логикой, чем большим числом наблюдений. Однако в некоторых случаях не только очевиден сам факт регуляции, но изучены и пути ее осуществления. Основными средствами связи в этих регуляциях являются гормоны и нервные пути, главным образом автономной нервной системы.

Процесс метаморфоза определяется у насекомых в целом для всего организма действием гормонов. Регуляция осуществляется посредством взаимодействия между разными органами внутренней секреции, одни из которых стимулируют метаморфоз (ней-росекреторные клетки и проторакальная железа), другие его задерживают (corpora allata). У амфибий процесс метаморфоза также охватывает весь организм в целом. Он вызывается непосредственно действием гормона щитовидной железы. Функция последней зависит, однако, и от других органов внутренней секреции, в первую очередь от тиреотропного гормона подмозговой железы — гипофиза. Здесь один и тот же гормон щитовидной железы вызывает самый различный эффект в разных частях организма, стимулируя развитие дефинитивных органов и вызывая автолиз личиночных органов.

Развитие половых признаков контролируется у всех позвоночных в большей или меньшей мере эндокринной системой. Первичная стимуляция исходит от гипофиза через его гонадотропный гормон. Непосредственная детерминация определяется количественными соотношениями между мужским и женским гормонами при установлении пороговых уровней нормальной реактивности тканей. Между всеми органами внутренней секреции имеются сложные взаимодействия, ведущие к регуляции их функций. В случае половых желез выявляется, кроме гипофиза, также влияние щитовидной железы и надпочечников. С другой стороны, на деятельность эндокринной системы и, прежде всего, гипофиза влияют и факторы внешней среды. В некоторых случаях установлено и наличие обратной связи между развивающимся вторично-половым признаком и половыми железами.

Наиболее ясно выражается влияние всего организма в его регуляциях после нарушения его целостности. Органотипическая Детерминация зачатка конечности — регенерата — после ее удаления у амфибий, несомненно, определяется остатками органа и ближайшим его окружением. Однако дальнейший ход развития зачатка и завершение процесса регенерации определяются соотношением между уровнем развития регенерата и всего организма в целом. Таким образом, имеется, очевидно, обратная связь от регенерата к организму, служащая средством контроля его разви-


340 Регуляция формообразования в индивидуальном развитии

тия и роста. Вероятно, эта связь осуществляется через посредство автономной нервной системы (при перерезке нервов регенерация останавливается вплоть до восстановления иннервации), которая в виде ответной реакции регулирует питание регенерата.

Несомненно, основным интегрирующим аппаратом организма на стадиях завершающегося формообразования является эндокринная система. Отчасти в том же направлении функционирует и нервная система. Однако на зародышевых стадиях функции этих систем еще недостаточно определились. Можно только предполагать, что объединение формообразовательных механизмов всего организма достигается вообще посредством гуморальных средств связи и регуляции.

В этих формах регуляции мы имеем наиболее общую систему, охватывающую все частные формообразовательные системы (это совершенно ясно при гормональной регуляции метаморфоза и развитии половых признаков). Результат формообразования хотя и определяется, в конце концов, метаболизмом отдельных клеток (под контролем унаследованных норм), но имеет свой качественно новый интегральный эффект, определяемый положением данной части, данной клетки в системе целого организма.

В заключение подчеркнем еще раз, что во всех случаях регуляции ясно проявляется историческая обоснованность каждой формы реагирования, способов взаимодействия частей развивающегося организма и всех особенностей реагирования всего организма на изменения во внешней среде.

1?лава X

РЕГУЛЯЦИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ФОРМ

«Наследственная стойкость организма объясняется сложностью системы морфогенетических связей, объединяющих все части развивающегося организма в одно целое, а не стойкостью наследственного вещества, т. е. генов» [Шмальгаузен, 1938].

Система морфогенетических связей усложняется по мере эволюции соответственно положению организма во внешней среде и на основе сложившихся соотношений его частей. «Всякая наследственная дифференциация строится на базе известных соотношений частей, всякое расчленение основывается на зависимостях, на связях... Существование интегрирующих факторов является условием, определяющим возможность прогрессивного дифференцирования организма, и, с другой стороны, прогрессив-


Глава X. Регуляция формообразования и устойчивость организмов 341

ное дифференцирование неизбежно ведет к дальнейшему усложнению интегрирующей системы корреляций» [Шмальгаузен, 1938]. Другими словами, внутренние связи частей являются необходимыми факторами саморазвития организма. Они определяют преемственность организации и точность ее воспроизведения.

Эти положения, высказанные четверть века тому назад, полностью сохраняют свою силу и в настоящее время. Теперь удается, однако, не только добавить новые фактические материалы, но и подвести более точную теоретическую базу под всю проблему «организма как целого». Организм можно рассматривать как сложную систему, способную к авторегуляции. Тогда ясно вскрываются более общие принципы построения организмов, которые имитируются в современных технических устройствах. Регуляция во всех случаях основывается на принципе «обратной связи» [Хэммонд, 1961].

В физиологических функциях сформировавшегося организма обратная связь обнаруживается совершенно ясно. Однако, как я пытался показать, она имеет всеобщее значение и в течение индивидуального развития. Во многих случаях она еще недостаточно изучена, и сделанные нами выводы имеют скорее характер логического заключения. Детальное изучение обратной связи является поэтому насущной задачей современной экспериментальной эмбриологии (механики развития).

Дело, однако, не только в изучении обратных связей в отдельных формообразовательных системах. Последние связаны и меж собой так, что выходные сигналы одной системы передаются на вход другой системы. Получается чрезвычайно сложная система взаимозависимостей. При этом следует отметить, что эта система регуляций имеет такой же иерархический характер, как и вся организация. Элементарные регуляторные системы отдельных клеток (ядро — цитоплазма) связываются и подчиняются более общим системам тканевой и органотипической регуляции, а последние охватываются регуляциями всего организма в целом. Такая организация обеспечивает максимальную устойчивость организации и совершенство регуляции.

Каждая система с обратной связью имеет вид замкнутой цепи. Соединением таких систем образуются многоконтурные системы. При их иерархическом подчинении они получают структуру, которая может быть передана прилагаемой упрощенной схемой (рис.37).

«Особенностью многоконтурной системы является то, что, несмотря на неустойчивый внутренний контур, система в целом при наличии внешней обратной связи может быть устойчивой» (Хэммонд, 1961). Это весьма существенно, так как элементарные циклы внутриклеточных взаимозависимостей (ядро — плазма) весьма малоустойчивы. Регуляторная способность системы определяется, кромеее общей организации, еще инадежностью пере-


342 Регуляция формообразования в индивидуальном развитии


Рис.37. Схема сильно упрощенной трехконтурной системы взаимозависимостей в развивающемся организме Обратные связи во всех контурах изображены слева

даваемых прямой и обратной информации. Это, в свою очередь определяется строением системы. Однако, кроме того, надежность информации определяется и ее повторностью (при которой теряются «ошибки»). В организме элементарная обратная информация поступает от клетки. Число однородных клеток в любой ткани какого-либо органа буквально неисчислимо. Это означает столь же неисчислимую повторность клеточной информации. Ее надежность становится безупречной. Маломощная и ненадежная клеточная информация преобразуется, следовательно, во вполне достоверную тканевую информацию данного органа. Таким образом, высокая регу-ляторная способность высших организмов покоится, между прочим, на их высокой многоклеточности. Тканевая информация и информация, поступающая от органов, представляют собой интегральный эффект от множества клеточных информации в данной ситуации органа. Регуляция всего организма в целом обеспечивается последовательной интеграцией клеточных взаимодействий во всех тканях и органах. Организмы развиваются по унаследованной программе, реализация которой происходит в системе ядро — плазма в зависимости от ситуации каждой клетки и синтезируется в тканевых системах и органах соответственно положению и связям данных частей. Все частные взаимозависимости охватываются общей системой регуляции всего организма в целом. Последняя определяется в значительной мере положением организма во внешней среде.

Высокая регуляторная способность организма не исключает, конечно, возможности нарушений формообразования в индивидуальном развитии. Эти нарушения могут быть результатом изменений в унаследованной программе, т. е. системе ядро — цитоплазма. Особое значение имеют изменения в ядерных структурах. Они реализуются в виде наследственных мутаций. Возможны нарушения и во внутренних связях — они также приводят к изменениям формообразования и к тем или иным уродствам (как это видно в опытах экспериментального вмешательства в соотношения частей). Возможно также искусственная изоляция. частей, например в эксплантате. Это приводит обычно к более или менее значительному недоразвитию, а затем и к остановке в раз-


Рлава X. Регуляция формообразования и устойчиводтъ Ьрганизмов 343

витии. Нормальные связи являются необходимыми факторами формообразования.

Если, однако, обеспечить достаточное питание изолированной части, то возможен, очевидно, ее неограниченный рост, как это видно на тканевых культурах. По-видимому, это возможно и в организме при нарушениях формативных связей. Так, по данным А. Н. Студитского, при реимплантации разрушенной мышечной ткани на нормальное место из нее развивалась соответствующая мышца. Когда, однако, такая разрушенная мышца изолировалась целлофаном от ближайшего окружения при сохранении нервных и механических связей, оформленная мышца не развивалась, а мышечная ткань перерождалась в опухоль. В этом случае были нарушены только формативные связи с соседними тканями при изоляции целлофаном. В организмах, конечно, этого не бывает, однако, вполне возможна биохимическая изоляция известной части в результате коренной перестройки ее метаболизма, приводящая к ее бесконтрольному, анархическому росту, т. е. к возникновению опухоли.

Перестройка метаболизма возможна под различными влияниями. Обычно она не выходит за пределы унаследованной нормы реакций. Особенно велики, однако, изменения, связанные с преобразованиями ядерных структур— унаследованной ДНК и построенной соответственно РНК. Это возможно, между прочим, в следующих случаях.

1. Заражение группы клеток вирусом, который вносит свою дезоксирибонуклеиновую кислоту в зараженные клетки, или вирусом, РНК которого вытесняет рибонуклеиновую кислоту в цитоплазме тех же клеток. В обоих случаях метаболизм зараженных клеток меняется в корне — специфический метаболизм клеток данного организма замещается метаболизмом самого вируса. Это может нарушить воспроизведение собственной ДНК, т. е. вызвать мутацию. Продукты вирусного метаболизма не могут заменить продуктов клеточного и тканевого обмена данного организма. Если эти продукты были носителями специфической информации, передаваемой соседним тканям, то продукты вирусного обмена не могут играть подобной роли — как совершенно чуждые субстанции они не могут вызвать специфического ответа в нормальных тканях. Компетенция последних ограничена нормой реакций только на свои специфические нормальные раздражители. Таким образом,' обратная информация от зараженных клеток оказывается глубоко нарушенной, контроль формообразования со стороны окружающих частей невозможен.

2. Возникновение соматической мутации (под влиянием вируса или спонтанно), связанной с глубокой перестройкой метаболизма, может в известных случаях привести к такому же результату. Искажение обратной информации может также достигнуть той степени, когда она становится недоступной («непонятной»)


344 Регуляция формообразования в индивидуальном развитии

для окружающих нормальных тканей, а, следовательно, не способной вызвать и ответного формативного воздействия.

Мутации возникают с большей частотой, и притом повторно, в сильно пролиферирующих тканях. При возникновении разных мутаций, отличающихся интенсивностью своего обмена и скоростью пролиферации, неизбежно вытеснение малоактивных клеточных элементов более активными, с более интенсивным ростом. В результате некоторые мутанты получают преобладание и дают начало особой ткани с быстрым ростом. Вследствие нарушения обратной информации и невозможности формативных влияний (чему способствует и утрата компетенции к специфическим реакциям) эта ткань не может дифференцироваться и ее рост становится неограниченным (при достаточном ее питании).

3. Возникновение соматической мутации, связанной с разрывами, перестройками и переносом целых хромосом. В этих случаях возникают многие летальные комбинации, которые сразу исключаются из ткани. Возможны и очень многие комбинации с пониженным обменом — они рано или поздно вытесняются более активными клетками. Встречаются, однако, и такие комбинации, которые не обеспечивают равнонаследственного деления ядра. Возникают также многополюсные митозы с совершенно неправильным распределением хромосом и т. п. В этих случаях образуется конгломерат клеток, которые все отличаются друг от друга по своим наследственным структурам (ДНК). Если говорить о клеточной информации, то она здесь не только в корне искажена (вследствие глубокого изменения метаболизма), но, кроме того, совершенно различна для разных клеток. Здесь нет той повторности, которая делает нормальную тканевую информацию столь надежной. Интеграция клеточной информации не возможна. Нет ни системной организации, ни повторности. Обратная информация от" получившегося клеточного конгломерата не только искажена, но и полностью дезорганизована. Без обратной информации, однако, невозможны ни контроль, ни регуляция. Такие клеточные конгломераты способны лишь к анархическому, совершенно бесконтрольному росту. Регуляция невозможна вследствие полного разрушения тех взаимозависимостей, на которых эта регуляция основывается.

Мы коснулись только двух наиболее распространенных теорий опухолевого роста — вирусной и мутационной. Я старался показать возможные источники физиологической изоляции группы клеток, которая при отсутствии обратной связи выходит из-под контроля со стороны основных частей организма. Возможны и другие гипотезы возникновения опухолевого роста. Все же основной причиной мне представляется нарушение нормальных формативных связей. Однако, таким нарушением можно объяснить лишь рост опухоли, который по возобновлении связей должен прекратиться, после чего эта ткань может дать начало различным


Литература 345

дифференцировкам. Злокачественное же перерождение клеток не может быть объяснено одной только физиологической изоляцией. Поэтому все гипотезы возникновения опухолей должны быть дополнены объяснением причин их малигнизации, которая, по-видимому, наступает при глубокой перестройке контрольного аппарата ядра в результате последовательного ряда мутаций.

На приведенных выше примерах мы подошли к нашей основной проблеме — регуляции формообразования — так сказать, с обратной стороны, рассмотрев возможные результаты полного нарушения аппарата регуляции. Подведем краткие итоги нашему рассмотрению проблемы регуляции в целом.

Нормальное формообразование есть процесс, строго регулируемый на всех уровнях организации — клеточном, тканевом и органотипическом. На первых стадиях развития формообразование определяется организацией зиготы, унаследованной от обоих родителей, и в особенности организаций яйцеклетки. Все позднейшие процессы определяются как перераспределением субстанций зиготы, так и установлением новых взаимодействий с внешней средой, в особенности последовательными взаимодействиями частей самого зародыша. Такие взаимодействия меняют характер метаболизма. Продукты последнего активируют или подавляют синтетическую деятельность известных участков наследственного кода хромосом. Активные участки хромосом взаимодействуют с цитоплазмой, и это вновь ведет к дальнейшей перестройке метаболизма.

Во всех взаимодействиях одна часть оказывается более активной и может быть условно названа индуктором, или активатором, другая — менее активной и может быть названа реактором. Однако результаты взаимодействия определяются не только индуцирующим влиянием, но и компетенцией реагирующей части; нередко обнаруживается и обратное действие реактора на индуктор. Формообразовательные системы имеют характер замкнутых циклов. Обратные связи, к сожалению, еще очень мало изучены, и их выявление составляет в настоящее время наиболее актуальную задачу эмбриологии. Все регулирующие циклы связаны с внешней средой посредством входных и выходных каналов. Они образуют все вместе сложную взаимосвязанную и иерархически соподчиненную систему авторегуляции формообразования всего организма в целом.

ЛИТЕРАТУРА

Астауров Б. Л. Значение опытов по мерогонии и андрогенезу для теории развития и наследственности.— Усп. совр. биол., 1948, т. 25, с. 49—88.

Астауров Б. Л., Острякова-Варшавер В. П. Получение полного гетеросперм-ного андрогенеза у межвидовых гибридов шелковичного червя.— Изв. АН СССР, серия биол., 1957, № 2, с. 154—175.

Балинский Б. И. Развитие зародыша. Проблема детерминации в эмбриональном развитии. М.; Л.: Биомедгиз, 1936,


346 Регуляция формообразования в индивидуальном развитии

Враше Ж. Биохимическая эмбриология. М.: ИЛ, 1961.

Вильсон Э. Клетка и ее роль в развитии и наследственности, т. I. M.; Л.: Биомедгиз, 1936.

Вильсон Э. Клетка и ее роль в развитии и наследственности, т. II. М.; Л 1940.

Гексли Дж. С, де Вер Г. Р. Основы экспериментальной эмбриологии. М.; Л.: Биомедгиз, 1936.

Геммерлинг И. Морфогенетические и генетические основы формообразования у зонтичной водоросли Acetabularia.— Усп. совр. биол., 1935, т. 4 с. 229—239.

Детлаф Т. А. Нейруляция у бесхвостых амфибий как комплексный формообразовательный процесс— Труды Ин-та морфогенеза, 1938, т. 6, с. 187— 200.

Драгомиров Н. И. Корреляция в развитии эктодермальных зачатков глаза.— Изв. АН СССР, серия биол., 1939, № 5, с. 741—768.

Завадовский М. М. Пол и развитие его признаков. К анализу формообразования у животных. М.; Госиздат, 1922.

Завадовский М. М. Противоречивое взаимодействие между органами в теле развивающегося животного. М.: МГУ, 1941.

Лопашов Г. В. Механизмы развития зачатков глаз в эмбриогенезе позвоночных. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

Машковцев А. А. Саянский дикий реликтовый северный олень.— Докл. АН СССР, 1940, т. 27, с. 78-80.

Морган Т. Г. Экспериментальная зоология. М.: Типография торг. дома Мош-кина и Ге, 1909.

Нейфах А. А. Проблема взаимоотношений ядра и цитоплазмы в развитии. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

Полежаев Л. В. Основы механики развития позвоночных. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1945.

Полетаев И. А. Сигнал. О некоторых понятиях кибернетики. М.: Сов. радио, 1958.

Строева О. Г., Никитина А. А. Пересадка ядер у амфибий и ее значение для исследования проблемы дифференцировки.— Журн. общ. биол., 1960, т. 21, с. 336-346.

Студитский А. Н. Некоторые вопросы биологической теории рака.— Журн. общ. биол., 1962, т. 23, с. 176—192.

Тойвонен С. Первичная эмбриональная индукция у амфибий.— Успехи совр. биол., 1963, т. 55, № 1, с. 87.

Филатов Д. П. Значение фактора объема в ускорении некоторых морфогенезов.— Журн. экспер. биол., 1931, т. 7, с. 137—162.

Хеммонд П. Теория обратной связи и ее применения. М., 1961.

Шмалъгаузен И. И. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1938, 1942.

Шмалъгаузен И. И. Проблема устойчивости органических форм (онтогене-зов) в их историческом развитии.— Журн. общ. биол., 1945, т. 6, с. 3—25.

Шмалъгаузен И. И. Факторы эволюции. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1946.

Шмалъгаузен И. И. Интеграция биологических систем и их саморегуляция.— Бюлл. МОИП, отд. биол., 1961, т. 66, с. 104—134.

Child С. М. Patterns and problems of development. Chicago, 1941.

Dalcq A. M. Germinal organization and induction phenomena.— In: Fundamental aspects of normal and malignant growth/Ed. W. W. Nowinski. Amsterdam, 1960.

Dobzhansky Th. Genetics and the origin of species. N. Y., 1951.

Dobzhansky Th. Evolution, genetics and man. N. Y.; London, 1955.

Dragomirow N. [Драгомиров Н.\ Uber die Faktoren der embryonalen Entwick-lung der Linse bei Amphibien.— Roux' Arch. Entwicklungsmech. Organis-men, 1929, Bd. 116, S. 633-668.

Durken B. Lehrbuch der Experimentalzoologie. Berlin, 1928.

1)цгкец В. Grundriss der Entwicklungsmechanik. Berlin, 1929,


Литература 347

Qoldschmidt R. Physiological genetics. N. Y.; L., 1938.

jtiihn A. Vorlesungen iiber Entwicklungsphysiologie. Berlin, Gottingen, Heidelberg, 1955.

Mangold 0. Das Determinationsproblem I. Das Nervensystem und die Sinnesor-gane der Seitenlinie unter spezieller Beriicksichtigung der Amphibien.— Ergebn. Biol., 1928, Bd. 3, S. 152—227.

Mangold 0. Das Determinationsproblem. II. Die paarigen Extremitaten der Wirbeltiere in der Entwicklung.— Ergebn. Biol., 1929, Bd. 5, S. 290—404.

Mangold 0. Das Determinationsproblem. III. Das Wirbeltierauge in der Entwicklung und Regeneration.—Ergebn. Biol., 1931, Bd. 7, S. 193—403.

Morgan Т. Н. Experimental embryology. N. Y.: Columbia Univ. Press, 1927.

Saxen L., Toivonen S. Primary embryonic induction. London, 1962.

Spemann H. Experimented Beitrage zu einer Theorie der Entwicklung. В., 1936.

Waddington С. Н. Principles of embryology. London, 1956 (1957).

Waddington С. Н. The strategy of genes. London, 1957.

Weiss P. Entwicklungsphysiologie der Tiere. Dresden; Leipzig, 1930.


СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ОТБОР

И ЭВОЛЮЦИЯ

ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

В понимании естественного отбора и его аналогии с искусственным в настоящее время распространены различные взгляды, находящиеся порой в резком противоречии со взглядами самого Ч. Дарвина. Одним из наиболее ясных выражений такого расхождения является обычное отрицание творческого значения естественного отбора. Последний действует, по Дарвину, через накопление в известных направлениях множества малых наследственных изменений. Мутационная теория перенесла внимание исследователей на отдельные более значительные наследственные изменения, в которых стали видеть подлинные ступени по пути эволюции органических форм. Естественному отбору отводится лишь роль решета, отбрасывающего негодные формы и сохраняющего годные. Эти последние создаются будто бы не в процессе отбора более сложных комбинаций, а уже самим процессом мутирования. Я не ставлю своей задачей в этой статье критику указанных взглядов. Упомяну только, что очень большую роль в их преодолении сыграли блестящие работы Р. Фишера (R. A. Fisher) Дж. Холдена (J. В. S. Haldane), Г. Меллера (Н. Muller) и С. Харланда (S. E. Harland).

Здесь я хочу обратить внимание на другое: 1) на общий механизм действия естественного отбора, 2) на его поддерживающее влияние в условиях установившихся уже соотношений между определенным организмом и нормальной для него средой и возможную роль в «фиксировании» результатов индивидуального приспособления, 3) на его значение в перестройке самого механизма индивидуального развития. В этой связи прежде всего коснемся вопроса о селекционном значении «малых» и «безразличных» наследственных изменений, а также и возможной роли ненаследственных изменений.

Так как естественный отбор, в отличие от современного искусственного отбора, покоится не на выборе положительных уклонений, а на элиминации отрицательных, то этим самым при учете процессов повторного мутирования первый вопрос, служивший долгое время предметом дискуссии, получает сразу положительное решение. В особенности при этом следует помнить, что естественный отбор имеет всегда дело с целостными индивидуальностями сложного происхождения, а не с отдельными мутациями, которые имеют до известной степени реальное существование


Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуального развития 340

лишь в наших экспериментальных культурах. Этим самым получает положительное разрешение и второй вопрос — о роли ненаследственных изменений. В природных условиях каждая особь отличается от любой другой особи многими наследственными и ненаследственными особенностями, покоящимися на различных нормах реакций этих особей. Вопрос о жизни и смерти особи решается каждый раз конкретными взаимоотношениями между данной особью, на всех стадиях ее индивидуального развития, и той средой, в которой развертывалась вся ее жизнь. В борьбе за существование гибнут или сохраняются и оставляют потомство особи, различающиеся по всему своему индивидуальному развитию, по всей своей морфофизиологической организации, по своим реакциям и своему индивидуальному поведению (а не особи, отличающиеся друг от друга лишь отдельными наследственными признаками). Естественно, что особи, «переживающие» и сохраняемые в борьбе за жизнь, отличаются от элиминируемых, т. е. от гибнущих или устраняемых от размножения, всей своей организацией в целом. По своей наследственной характеристике это будут всегда сложные комбинации весьма многих и в особенности «малых» «морфологических» и «физиологических» мутаций. Такие особи могут обладать не только положительными и «безразличными», но даже и незначительными отрицательными «признаками». Конечно, это возможно лишь в том случае, если вред, вносимый отрицательным (например, морфологическим) признаком, вполне перекрывается другими, положительными (например, физиологическими) особенностями данной особи.

Отметим также как прочно установленный факт, что огромное большинство даже незначительных вновь возникающих мутаций оказываются неблагоприятными для их обладателей (что вполне понятно при учете сложности и согласованности всей организации любого животного или растения и ее приспособленности к весьма разнообразным факторам нормальной внешней среды). Если мы примем во внимание сказанное, то указания Робсона и Ричардса [Robson, Richards, 1936, с. 279] на широкую распространенность бесполезных структурных различий среди признаков, характеризующих виды и роды, в значительной мере теряют свою убедительность. Ведь требование, чтобы более 50% таких признаков имело приспособительный характер, основывается на неверной предпосылке, что в исходном материале положительные и отрицательные уклонения возникают с одинаковой частотой, и на неверном представлении о механизме действия естественного отбора, мыслимого по аналогии с сознательным искусственным отбором одних лишь положительных уклонений.

В процессе мутирования происходит совершенно свободное накопление положительных, безразличных и даже малых отрицательных мутаций, которые через постоянное скрещивание переживающих особей вступают во все новые комбинации. В этих ком-


^

330 Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуальногд развития

бинациях происходит создание все новых норм реакций, в которых свойства отдельных мутаций коренным образом перерабатываются. Естественный отбор направляет и контролирует этот процесс на всех его этапах. При этом могут фиксироваться и многочисленные «бесполезные» приобретения. Если эти приобретения, однако, не связаны более прочными коррелятивными связями с другими, более существенными признаками организации, то они являются лишь в роли «колеблющегося» элемента (Ch. Darwin), распространяемого или теряемого по законам случайного (С. Elton, R. Fisher, S. Wright, H. Дубинин). Впрочем, и они могут вторично приобрести положительное биологическое значение (например, в качестве распознавательных отметин), как на это указывал уже Дарвин.

Переходя к основной теме данного разбора статьи, я должен отметить, что еще Дарвин указывал на то, что естественный отбор вовсе не всегда оказывается в роли ведущего вперед, творческого фактора эволюции. При некоторых условиях естественный отбор выступает в роли фактора, лишь поддерживающего постоянство форм. В случае, если организм вполне приспособлен к известным специальным условиям существования, и эти условия сохраняются в общем неизменными, то, несмотря на наличие основных предпосылок эволюции — наследственной изменчивости, борьбы за существование и естественного отбора,— он может в течение долгих геологических периодов сохранить свою структуру и свойства на одном и том же уровне. Это понятно именно потому, что естественный отбор осуществляется лишь через элиминацию неблагоприятных индивидуальных вариаций, а таковыми в данном случае оказываются все уклонения, выходящие за пределы уже установившейся нормы, вполне приспособленной к данным специальным условиям существования.

Наконец, нельзя не вспомнить, что о возможной роли ненаследственных результатов «прямого приспособления» в процессе эволюции и о ведущем значении таких аккомодаций в эволюции индивидуального развития, об их последовательном замещении наследственными изменениями через естественный отбор совпадающих вариаций имеются замечательные соображения в классической книге Ллойда Моргана [L. Morgan. Habit and Instinct. 1896] и в блестящем исследовании Болдуина [J. Baldwin, 1902]. К сожалению, эти работы зоопсихологов были в последовавшем затем периоде увлечения генетикой почти совершенно забыты.

Естественный отбор идет всегда по фенотипам. Хотя базой для развития последних являются определенные нормы реакций, т. е. конкретные генотипы, их реализация зависима и от факторов внешней среды. Один и тот же фенотип может реализоваться в большей или меньшей зависимости от этих факторов и может, следовательно, покоиться и на разных генотипах. Сходное по виду уклонение может быть наследственным и ненаследственным, точ-


Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуального развития 351

нее, менее или более зависимым в своей реализации от факторов внешней среды. В борьбе за существование преимущество может быть в одних условиях существования на стороне наследственного изменения, в других условиях — на стороне ненаследственного из-менения. Таким образом, сходные по внешности уклонения могут приобрести разное значение в процессе эволюции. Соответственно возможно и преобразование факторов индивидуального развития, а следовательно, и эволюция всего онтогенеза, без заметного изменения дефинитивных форм.

В данном случае можно говорить о различии между стабильными и лабильными формами. Под стабильными формами мы понимаем организмы, которые в своем индивидуальном развитии мало зависимы от изменений в факторах внешней среды. Лабильными мы считаем организмы с зависимым формообразованием, фенотипические особенности которого явно меняются с изменением факторов внешней среды. Несомненно, что и в отношении внутренних факторов индивидуального развития можно говорить о большей или меньшей стабильности организма, поскольку одно и то же наследственное изменение (мутация) может в различных особях (генотипах) получить более или менее значительное фе-нотипическое выражение. В обоих случаях речь идет в сущности об одном и том же — о большей или меньшей «защищенности» нормального формообразования.

Термины лабильность и стабильность мы будем, во всяком случае, употреблять лишь в отношении к процессам индивидуального развития, т. е. будем понимать под ними большую или меньшую зависимость формообразования от различных изменяющих его влияний (а не степень наследственной изменяемости или «мобильности» организмов и их «пластичность» или «инертность» в процессе эволюции).

Обсуждаемые здесь вопросы были подняты автором в ряде статей и книг, напечатанных на русском языке (частью с английскими резюме) в период 1938—1941 гг. Сходные мысли о возможном значении и механизме «фиксирования» индивидуально «приобретенных» признаков были высказаны в новейшее время Уоддинг-тоном [Waaldington, 1942].

1. Понятия нормального фенотипа, положительных, отрицательных и нейтральных уклоненийот нормы

Так как вопросы о границах «нормального» фенотипа, о критериях «нормы» и уклонений от этой «нормы» имеют большое значение для понимания механизма естественного отбора, то нам придется остановиться на хотя бы условных определениях этих понятий.

В вопросах, касающихся естественного отбора, решающими Моментами, с точки зрения теории Дарвина, являются переживу-


352 Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуального развития

ние особи в нормальной ее обстановке и оставление ею жизнеспособного потомства. Поэтому переживание и оставление потомства должны служить единственными критериями для оценки свойств особи как «нормальных» для данных исторически сложившихся условий среды или как положительных или отрицательных уклонений от этой «нормы». При этом «нормальный» тип, конечно, не будет ни фенотипически, ни генетически однородным. Границы «нормы» будут столь же условны, как и границы, устанавливаемые систематиками по морфологическим признакам. И эти границы охватывают всегда известный диапазон вариаций, а так как они устанавливаются по пойманным в природе, следовательно пережившим, а нередко и оставившим потомство экземплярам, то наша условная норма фактически окажется очень близкой к типичным формам систематиков, когда они характеризуют малые систематические категории. Практически она включает весь вариационный ряд половозрелых особей любой природной популяции и характеризуется теми же средними величинами различных признаков.

Понятие «нормального» фенотипа охватывает при более строгом подходе всех особей данной природной популяции, достигающих зрелого состояния в нормальных условиях среды и фактически оставляющих «нормальное» потомство такой же численности (среди этой «нормы» могут быть отдельные ничем не отличающиеся особи, которые случайно не оставили после себя потомства или случайно оставили очень большое потомство. Это не меняет положения) .

Отдельные особи «нормального» фенотипа отличаются друг от друга индивидуальными особенностями, покоящимися частью на генотипических различиях, представляя результат комбинирования многих мутаций, частью на фенотипических различиях, возникших в разных условиях развития генотипически сходных особей. Все эти различия между отдельными особями или уклонения от средней характеристики нормы можно назвать нейтральными уклонениями. Условно можно отнести к нейтральным уклонениям, а следовательно и к составу «условной нормы» и не совсем благоприятные варианты, которые, однако, вполне жизнеспособны в гетерозиготном состоянии, при обычном скрещивании с «нормальными» особями оставляют жизнеспособное потомство и поэтому фактически принимают участие в формировании генотипа данной популяции (хотя при скрещивании между собой они бы и оказались мало жизнеспособными или мало плодовитыми). Такие условно нейтральные уклонения полностью не элиминируются и, следовательно, имеют известное значение в процессе эволюции. В некоторых локальных, сезонных или случайных условиях они могут оказаться и совершенно безвредными или даже приобрести роложителыюе значение,


Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуального развития 353

Нейтральными или безразличными уклонениями мы называем соответственно те вариации (включая модификации), которые выражаются (в гетерозиготе) в изменениях фенотипа, не выходящих за пределы условной или обычной нормы, или «дикого» типа, при нормальных условиях развития и при обычных условиях существования и скрещивания (т. е. при скрещивании с «нормальными» особями).

Положительными уклонениями от нормы, положительными мутациями, мы назовем все те уклонения и мутации, которые при нормальных условиях развития и при обычных условиях существования оставляют после себя достигающее половой зрелости и плодовитое потомство, превышающее своей численностью исходные формы, т. е. распространяющееся в популяции (даже без влияния повторного мутирования). В случае положительных ненаследственных изменений мы будем говорить об адаптивных модификациях.

Отрицательными уклонениями и отрицательными мутациями мы будем называть все те уклонения от нормы и все мутации, которые при нормальных условиях развития и при обычных условиях существования, в частности при скрещивании с нормальными особями, не оставляют потомства или оставляют мало жизнеспособное или мало плодовитое потомство, рано или поздно исчезающее из популяции (т. е. численность потомства оказывается ниже численности исходных особей даже при скрещивании с нормальными особями). При наличии повторного мутирования в данном направлении такие уклонения, конечно, не исчезают, но достигают известного уровня равновесия (см. R. Fisher, S. Wright, J. Haldone и др.). Если указанные уклонения имеют ненаследственный характер, но все же связаны с повышенной смертностью в естественных условиях и сниженной плодовитостью, то мы будем говорить о неадаптивных модификациях или морфозах.

В составе «нормы» имеется всегда множество индивидуальных уклонений от некоторой средней, которые в значительной мере покоятся на различных комбинациях нейтральных, а также редких положительных и многочисленных малых отрицательных мутаций, не выводящих отдельных особей за пределы нашей условной нормы. Мы учитываем также наличие более или менее значительных модификационных изменений различного происхождения и значения.

В потомстве «нормы» происходят непрерывное расщепление и перекомбинирование мутаций (а также и повторное мутирование), при которых вследствие естественной элиминации неблагоприятных комбинаций и значительной случайной гибели обычно лишь Небольшая часть особей образует новое поколение «нормы».

Оценивая значение индивидуальных уклонений в эволюции, мы Должны, в первую очередь, отметить существование принципиальной разницы между крайне редкими положительными уклоне^


354 Стабилизирующий отбор и эволюция индивидуального развития

ниями и условной нормой с ее «нейтральными» вариантами, с одной стороны, и многочисленными отрицательными уклонениями от нее — с другой стороны.

Первые, оставляя какое-то потомство, дозревающее (хотя бы в числе одной особи) и скрещивающееся с другими «нормальными» особями, могут принять какое-то участие в дальнейшей эволюции данной популяции. Если они непосредственно и не вносят чего-либо положительного, то все же возможно их участие в создании благоприятных комбинаций. Вторые не оставляют никакого потомства или их потомство оказывается мало жизнеспособным в данных условиях, не дозревает или фактически не размножается, и такие уклонения не принимают, следовательно, никакого участия в дальнейшей эволюции.

«Нормальные» особи все преходящи, но все они оставляют какой-то след в популяции. След этот далеко не прямо зависит от свойств данной мутации, так как выражения последней меняются при изменении генотипа в процессе скрещиваний. Так как огромное большинство уклонений имеет отрицательный характер, то наибольшее значение в процессе отбора имеет селекционное преимущество «нормы» перед отрицательными от нее уклонениями.







Сейчас читают про: