<<
>>

Глава 26. ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ

У организмов, размножающихся половым путем, развитие индивидуума начинается с процесса оплодотворения — слияния яйца со сперматозоидом. Биологический смысл оплодотворения двоякий: 1) активация яйца — воздействие на него сперматозоида, пускающее в ход начальные процессы развития, дробление яйца; 2) кариогамия, т.

е. соединение в яйце носителей наследственной информации отцовского и материнского организмов, содержащейся в хромосомах сперматозоида и яйца. Кроме того, в отдельных случаях внедрение сперматозоида вызывает изменение топографии цитоплазматических компонентов яйца, обеспечивающее возникновение гетерогенности его строения или изменение исходной гетерогенности, чем определяется расположение передне-задней и спинно-брюшной осей будущего зародыша, а также появление структур, взаимодействие которых детерминирует последующую дифференцировку.

В изучении различных сторон единого процесса оплодотворения приняли участие цитологи, биофизики, биохимики (а впоследствии и представители молекулярной биологии), эмбриологи и генетики.

После того как Ф. Лилли и Ж. Лёб в первом десятилетии XX в. обнаружили в яйцах и сперматозоидах существование веществ, оказывающих влияние на гаметы того же или противоположного пола, эти вещества детально изучались, однако и до настоящего времени их значение для процессов оплодотворения окончательно не установлено. Вслед за Лилли А. Тайлер (1948) продолжал называть вещество яйца, стимулирующее подвижность сперматозоидов, фертилизином, а М. Гартман — гиногамо- ном I; вещество, вызывающее агглютинацию сперматозоидов, Гартман называл гиногамоном II. В свою очередь, в сперме было обнаружено вещество, подавляющее движение сперматозоидов,— андрогамон I (Гартман), а также андрогамон II, препятствующий действию агглютинирующего агента. В монографии А. С. Гинзбург (1968) отмечено, что роль агглютинирующего сперматозоиды агента не подтвердилась; не прав оказался и Гартман, утверждавший, что при оплодотворении играет роль взаимодействие андро- и гиногамонов. По мнению Гинзбург, эти вещества имеют лишь вспомогательное значение, облегчая встречу и соединение гамет. Агглютинину, содержащемуся в яйцах иглокожих и рыб, она приписывает роль защиты от проникновения сверхчисленных спермиев.

Активация яйца

В 70-х годах XIX, в. еще не отличали активацию яйца от кариогамии (О. Гервиг, 1875), так как считалось, что именно слияние пронуклеусов (ядер мужской и женской гаметы) и является причиной дробления яйца. Т. Бовери, основываясь на цитологических наблюдениях, возражал против такого понимания источника активации; соображения Бовери подтверждались прежде всего фактами естественного и вызванного экспери ментально партеногенеза (развития яйца без оплодотворения), когда пк- тивация яйца осуществляется без участия сперматозоида, т. е. независимо от кариогамии, а также возможностью оплодотворения и последующего развития безъядерных фрагментов яйца (О. и Р. Гертвиги, 1887; И.

До- лаж, 1901).

Исходя из этих соображений, Бовери выдвинул теорию, согласно которой яйцо побуждает' к дроблению вносимая сперматозоидом центросома. По мнению Бовери, яйцо' содержит все структурные компоненты, необходимые для начала дробления, кроме центросомы, а сперматозоид, в котором имеется центросома, лишен цитоплазмы, которая могла бы реагировать на наличие центросомы образованием ахроматической фигуры доло- ния. Иными словами, яйцо и сперматозоид взаимно дополняют друг друга, и после их соединения образуется система, способная к осуществлению начальны» процессов эмбрионального развития.

Встреча сперматозоидов с яйцом обеспечивается анатомическими (при внутреннем оплодотворении) или экологическими условиями — выбрасыванием сперматозоидов в воду поблизости от отложенных яиц. Длительно дискутировался вопрос, существует ли у сперматозоидов хемотаксис по отношению к выделяемым из яйца веществам. Хотя и было показано (Ф. Лилли), что сперматозоиды морского ежа собираются вокруг капель вытяжки из яиц, это не исключало предположения, что скопление сперматозоидов возле яйца осуществляется по принципу «физиологической западни», т. е. что они наталкиваются на яйцо случайно и удерживаются около него в силу физико-химических условий, препятствующих их удалению от яйца. Роль физиологической западни приписывали фертилизину — гипотетическому веществу из студенистой оболочки яйца (Ф. Лилли, 1924), вызывающему агглютинацию сперматозоидов.

В раннем периоде изучения явлений активации яйца попытки выяснить основные компоненты этого сложного процесса страдали односторонностью. Из комплекса относящихся сюда явлений вычленяли отдельные частные моменты и приписывали им ответственность за всю совокупность событий, разыгрывающихся в течение начальных этапов оплодотворения. Эти соображения справедливы, в частности, в отношении классических работ американского зоолога Лёба, пытавшегося выяснить смысл явлений активации во время нормального оплодотворения, исходя из наблюдений над искусственной активацией неоплодотворенйого яйца, т. е. при помощи искусственного партеногенеза. После того как было установлено, что дробление неоплодотворенных яиц может быть пущено в ход различными агентами — термическими, электрическими или механическими раздражениями (в том числе уколом), действием гипертонических растворов, жирных кислот (в частности, масляной кислоты) и т. п., выяснилось, что в большинстве случаев эти воздействия приводят к нарушению нормального хода развития, которое рано или поздно останавливается* Все эти агенты вызывают лизис поверхностного слоя яйца за счет освобождающихся протеолитических ферментов и стимуляции окислительных процессов. Лёб показал, что вызванные при этом нарушения нормального состояния яйца могут быть устранены, если яйца морского ежа вслед за воздействием масляной кислотой поместить на некоторое время в гипертоническую морскую воду. По аналогии с наблюдениями, сделанными на искусственно активированных яйцах, Лёб предположил, что и в норме активация начинается с лизиса кортикального слоя яйца и стимуляции его дыхания, за чем следует нормализация нарушенного состояния яйца пока еще неизвестным фактором.

Французский эмбриолог Э. Батайон (І910) видел смысл активации яйца при оплодотворении в том, что накапливающиеся в неоплодотворен- ном яйце токсические продукты обмена веществ удаляются из него в перивителлиновое пространство, возникающее после оплодотворения. Эта детоксикация яйца и служит, по мнению Батайона, стимулом к дроблению.

Исходя из аналогии с агглютинацией эритроцитов, являющейся реакцией между антигеном и антителом, Лилли высказал предположение, что взаимодействие между яйцом и сперматозоидом при оплодотворении также относится к числу иммунологических процессов и заключается в реакции фертилизина яйца с антифертилизином сперматозоида. А. Дальк (1928) справедливо заметил, что теория Лилли в лучшем случае может- объяснить только начальный момент оплодотворения.

Американский цитолог Л. Гейлбрун (1956) пытался сопоставить явления оплодотворения и свертывания крови. Исходя из факта освобождения; кальция, Гейлбрун сделал вывод, что желатинизирование цитоплазмы в активированном яйце имеет то же значение, что и в плазме крови во- время коагуляции.

Автор современной сводки по биохимической эмбриологии бельгиец Ж. Браше (1960) не без основания утверждает, что ни одна из теорий оплодотворения, принимающих частные стороны этого явления за его подлинную сущность, не вскрывает последней. Для этого необходимы новые исследования, распространяющиеся как вширь (с охватом возможно большего числа различных объектов), так и вглубь, позволяющие- учесть стороны явления в их взаимной связи.

Активацию яйца в ответ на проникновение сперматозоида связывают с процессами, изменяющими строение кортикального слоя яйца. В свое время эту идею высказал Ж. Лёб (1913); она получила подтверждение- в новейших исследованиях. Изменения поверхностной структуры яйца выражаются в выделении содержимого кортикальных гранул, что является отражением зрительно невоспринимаемого импульса активации, который начинается локально, в месте контакта с акросомной нитью сперматозоида, и распространяется по поверхности яйца; скорость распространения этого импульса для яиц осетровых рыб определила Т. А. Детяаф (1961). Детально изучены физико-химические характеристики кортикальной реакции — разыгрывающиеся в кортикальном слое биоэлектрические- явления, изменения его проницаемости для различных веществ, ез;о коллоидной структуры, оптических свойств (изменение свечения в темном' поле, двойное лучепреломление). Изучались также метаболические ж структурные изменения в цитоплазме яйца, выражающиеся в нарушении исходного состава ее белков, ферментативной активности (содержания1 протеаз, липазы, щелочной фосфатазы), количества липопротеидов, муко- полисахаридов и т. д.

Попытки выяснить природу активации яйца в процессе оплодотворения привели к важным сопоставлениям явлений в яйце с процессами протекающими в мышцах при их сокращении. Для обеих этих систем характерны повышение теплопродукции, увеличение ионной проницаемости, наличие тока покоя, прохождение биоэлектрической волны, обратимая денатурация белков, участие медиаторов возбуждения, образование- фосфатов и изменение сложных фосфорных эфиров, уменьшение содержания свободного калия и освобождение кальция, образование молочной кислоты и т. д. Обнаружена также аналогия между процессами, происходящими в кортикальном слое яйца во время активации, и явлениями возбуждения нерва. Проникновение сперматозоида в яйцо осуществляется по-разному — иногда через специальные отверстия (микропиле) в оболочках, например у насекомых, головоногих моллюсков и некоторых рыб, или же в любой точке яйцевой поверхности. Внедрение сперматозоида в яйцо начинается с так называемой акросомной реакции, т. е. с выталкивания из акросомы (верхушечного тельца головки сперматозоида) длинной нити, проникающей в ооплазму в месте соприкосновения головки спермия с поверхностью яйца и вызывающей образование воспринимающего холмика (Л. Колвин и А. Колвин, 1949; Дж. Дэн, 1956). Впервые этот холмик прижизненно наблюдал Г. Фоль (1879), назвав его конусом притяжения. Акросомная реакция является условием, предпосылкой тех процессов, которые приводят к возникновению импульса активации и к проникновению сперматозоида в цитоплазму яйца. С акросомной реакцией связывали явления частичного растворения оболочки яйца под действием лизинов, выделяемых из акросомной гранулы, что было показано при помощи фазово-контрастного (С. Вада с соавторами, 1956) и электронного микроскопов (Р. Мори- кар и Г. Гийон, 1960). Само проникновение сперматозоида в цитоплазму яйца сначала объясняли фагоцитозом, т. е. активной деятельностью цитоплазмы при поглощении твердых частиц; электронномикроскопические исследования привели к предположению об участии в этом процессе пиноци- тоза (Д. Сцоллози и Г. Рис, 1961). До сих пор механизм вхождения сперматозоида в яйцо продолжает оставаться не вполне выясненным. Установлено, что плазматические мембраны гамет в месте проникновения сперматозоида сливаются в единую поверхностную мембрану зиготы.

После погружения сперматозоида в цитоплазму яйца (у разных животных в нее входит только головка сперматозоида с участком шейки, содержащим центросому, или же целиком весь сперматозоид) головка (семенное ядро), поворачиваясь на 180°, начинает двигаться в глубь яйца и приближается к яйцевому ядру. Затем она или сливается с яйцевым ядром, или располагается в непосредственной близости от него.

Первоначально считали, что из центросомы образуется семенная звезда, делящаяся затем на две, образующие амфиастер митоза первого, дробления яйца. У одних животных (например, у морского ежа) по наблюдениям Э. Вильсона, мужской и женский пронуклеусы конъюгируют непосредственно после вхождения сперматозоида, вследствие чего различие в величине между мужским (маленьким) и женским (большим) пронуклеусом сохраняется вплоть до их слияния. У других животных (например, у аскариды и брюхоногих моллюсков, по данным Бовери) соединение пронуклеусов запаздывает; за это время семенное ядро увеличивается, приобретает пузырьковидную форму и становится неотличимым от яйцевого ядра. Еще до начала митоза первого деления дробления в обоих ядрах обособляются хромосомы, причем хромосомы мужского и женского ядер после растворения оболочки обоих ядер иногда располагаются обособленно. Даже во время первого митоза группы отцовских и материнских хромосом иногда остаются раздельными, как это имеет место, например, у циклопа (И. Рюккерт, 1895) или моллюска Crepidula (Э. Конклин, 1901).

Это явление, названное гономерией, представляет исключение, так как обычно отцовское и материнские хромосомы во время оплодотворения перемешиваются, причем гомологичные хромосомы, происходящие от отца и от матери, располагаются попарно.

В цитоплазме яйца пронуклеусы движутся, как правило, не непосредственно навстречу друг к другу. Яйцевое ядро до этой встречи проходит более короткий путь, чем семенное. Последнее сначала перемещается более или менее радиально к центру яйца по так называемой тропе проникновения (не по направлению к яйцевому ядру, обычно располагающемуся эксцентрично); затем направление движения мужского пронуклеуса изменяется, но и теперь он перемещается по так называемой тропе копуляции не к женскому пронуклеусу, а к пункту, где они должны будут встретиться. Только с этого момента начинает двигаться по направлению к пункту встречи и яйцевое ядро. Эти явления впервьґе изучили на яйцах лягушки В. Ру (1887), а затем на яйцах морского ежа Э. Вильсон (1895). В дальнейшем описанные наблюдения были подтверждены И'на других животных, в частности Э. Конклином (1905) па асци- дии.

Вместе с семенным ядром в яйцо вносятся митохондрии и центросома. Ф. Мевес (1908, 1914), детально изучавший поведение митохондрий во время оплодотворения, длительное время отстаивал точку зрения, что они являются носителями наследственной информации; Мевес предполагал, что митохондрии (или, как он их называл, пластосомы) сперматозоида конъюгируют с митохондриями яйца. А. Д. Некрасов, подробно изложив наблюдения и выводы Мевеса, пришел к заключению, что «теория пластосом как носителей наследственности держалась только искусной диалектикой Мевеса»

Судьба центросом сперматозоида была предметом длительной дискуссии. Наряду с мнением, согласно которому центросома оплодотворенного яйца происходит из шейки сперматозоида, на чем была основана упомянутая выше теория оплодотворения Бовери, высказывалось утверждение, что центросомы и связанные с ними ахроматические лучистые фигуры имеются и по соседству с яйцевым ядром и что они могут даже образовываться заново в цитоплазме оплодотворенного или искусственно активированного яйца (Ф. Лилли).

Оплодотворение и организация я@ца

Влияние проникающего сперматозоида на структуру яйца, от которой зависит положение первой борозды дробления, было изучено экспериментально. В. Ру (1887) применял локализованное осеменение яиц лягушки, нанося сперматозоиды на произвольный меридиан яйца при помощи шелковой нити или тонкой пипетки. Он установил, что плоскость первого дробления может проходить через любой меридиан яйца, в котором находится точка проникновения сперматозоида. В сущности этот опыт только наглядно подтвердил результаты прямого наблюдения, показывавшего, что борозда первого дробления в норме проходит вблизи места внедрения сперматозоида. Достоверность указанного наблюдения подтверждается тем, что сперматозоид; погружаясь в яйцо, увлекает за собой пигмент кортикального слоя и поэтому оставляет на своем пути в ооплазме окрашенный след. На срезах видно, что борозда первого дробления проходит через этот след или рядом с ним и параллельно ему.

Прохождение первой борозды дробления через место внедрения сперматозоида или поблизости от этой точки было показано и на многих других животных. Это особенно ясно в тех случаях, когда сперматозоид проникает через верхний полюс телолецитальных яиц (у птиц, репти’лий и акуловых рыб) или через нижний полюс (у плоских червей, моллюсков, оболочников, ланцетника). Если же сперматозоид проникает не через полярную область яйца, то он оставляет след в виде долго сохраняющегося воспринимающего холмика (например, у морских ежей), и тогда можно видеть, что плоскость первого дробления проходит через этот холмик или рядом с ним.' Имеет ли плоскость первого дробления непосредственное отношение к плоскости симметрии будущей личинки морского ежа, с достоверностью не выяснено. На других объектах этот вопрос получил однозначное решение. Так, Э. Джаст (1912), работая на яйцах полихеты Nereis, характеризующихся строгой детерминированностью дробления, показал, что, производя осеменение яиц в морской воде, содері- жащей взвесь туши, можно видеть передвижение окрашенных частиц и канал, через который проник в яйцо сперматозоид. Отчетливо видно, что плоскость первого дробления проходит через эту, окрашенную тушью, точку внедрения сперматозоида и делит яйцо на две неравные клетки, из которых большая ответственна за образование мезодермы и всего посттрохального отдела будущей личинки. Считается, что этот пример лучше всего демонстрирует зависимость сегрегации эмбрионального материала от местоположения плоскости первого дробления. Наоборот, для яиц хордовых, в частности круглоротых, осетровых рыб и амфибий, отчетливо показана независимость положения первой борозды дробления от места внедрения сперматозоида (П. Ансель, П. Вентанберже, 1948).

Структура яйца, выражающаяся в сегрегации материала будущих частей развивающегося зародыша, как правило, отсутствует до созревания и появляется только в связи с отделением полярных телец и оплодотворением. Какой из этих процессов определяет ооплазматическую сегрегацию, не всегда удается точно установить. Бовери (1901), изучая эмбриональное развитие морского ежа, показал, что в незрелом яйце- пигмент расположен в кортикальном слое ооплазмы равномерно. После внедрения сперматозоида в полярную область яйца пигмент располагается в виде полосы, локализованной ниже экватора. Большая часть ооплазмы над пигментным поясом дает начало эктодерме; непигментированный участок ниже пигментного пояса — мезодерме, а из участка, содержащего пигмент, образуется энтодерма. Остается невыясненным, чем обусловлено появление различно окрашенных зон яйца — предшествующим отделением полярных телец или вхождением сперматозоида. Более отчетливые- результаты получены на яйцах асцидии (Э. Конклин, 1905) и подтверждены тем же автором позднее на пресноводных легочных моллюсках. До созревания яйцо асцидии Styela partita почти гомогенно: оно содержит в центре желток, а на поверхности цитоплазму с желтым пигментом. Вслед за проникновением сперматозоида периферическая желтая ооплаз- ма смещается к нижнему полюсу яйца, образуя там скопление в виде- шапочки: затем этот материал (будущая мезодерма) вместе с прозрачной ооплазмой (будущая эктодерма) перемещается к заднему концу яйца,, а цитоплазма, из которой впоследствии образуется энтодерма, хорда и нервная система, движется вперед и вниз и располагается в нижней части яйца. Из верхней зоны, как у морского ежа, образуется эктодерма, а участки, содержащие желтый пигмент, дают начало мезенхиме и мышцам хвоста личинки.

Сходным образом оплодотворение действует и на сегрегацию у моллюсков и кольчатых червей. В частности, у пиявок зоны яйца, пред назначенные для образования различных органов, делаются заметными только после оплодотворения. Э. Вильсон считает, что эта закономерность может быть распространена и за пределы названных типов животных. Например, у бесхвостых амфибий различие между светлым (вегетативным) и темным (а яшм а ль ным) полушариями яйца существует до оплодотворения, тогда как серый серп — первый признак начинающейся дифференциации — появляется только после осеменения.

Значение кариогамии

Э. ван Бенеден (1883) впервые на яйцах лошадиной аскариды установил, что каждый из пронуклеусов — мужской и женский — содержит гаплоидное число хромосом. Вильсон назвал это открытие законом ван Бене- дена. Т. Бовери (1890) установил справедливость этого закона на морских . ежах, червях, медузах и брюхоногих моллюсках, подсчитав количество хромосом в семенных и яйцевых пронуклеусах до их слияния.

Закон ван Бенедена подтверждается, кроме того, следующими фактами: число хромосом в зиготе и бластомерах, образовавшихся в результате ее деления, равно сумме числа хромосом, содержащихся в пронук- .леусах; при скрещивании форм, обладающих неодинаковым числом хромосом, у гибридов число хромосом в зиготе равно сумме гаплоидных количеств хромосом родительских форм; при оплодотворении безъядерного фрагмента яйца и при развитии в результате искусственного партеногенеза сохраняется гаплоидное число хромосом: в диспермичных яйцах имеется триплоидный набор хромосом; при развитии после разрушения мужского (гиногенез) или женского (андрогенез) ядра число хромосом гаплоидное.

Было установлено, что нормальное (диплоидное) число хромосом после оплодотворения обеспечивается соединением яйцевого ядра только с ?одним семенным, что имеет место как при физиологической моноспер- мии, так и при физиологической полиспермии. В физиологически моно- спермные яйца входит только один сперматозоид; в случае проникновения в моноспермные яйца сверхчисленных сперматозоидов и включения их в развитие зародыша последнее протекает ненормально и рано прерывается. Предотвращение полиспермии у физиологически моноспермных яиц обеспечивается кортикальной реакцией в ответ на вхождение в яйцо первого сперматозоида; следствием этой реакции становится непроницаемость кортикального слоя яйца для других сперматозоидов (JI. Ротшильд, 1958; В. Хагстрём и И. Рунстрем, 1959; А. С. Гинзбург, 1968). В физиологически полиспермные яйца проникает несколько сперматозоидов, но в кариогамии участвует только один из них, а остальные элиминируются. Дегенерацию избыточных сперматозоидов связывают с влиянием каких-то веществ, диффундирующих из женского пронуклеуса или из головки сперматозоида, ближе всего находящегося к женскому ядру и уже переходящего в состояние мужского пронуклеуса.

Данные, добытые при изучении поведения ядерных структур в процессе оплодотворения, являются одной из основ хромосомной теории наследственности (см. главу 13). В пользу этой теории говорит также наблюдаемая в процессе кариогамии конъюгация гомологичных хромосом, а также факт сингамного (осуществляющегося в момент оплодотворения) •определения пола; у млекопитающих, амфибий и двукрылых насекомых гетерозиготным по половой хромосоме является мужской пол, а гомозиготным — женский, у птиц и бабочек — наоборот.

Изучение явлений, происходящих во время оплодотворения, способствовало решению общих проблем цитологии, а также развитию цитологических основ эмбриологии и цитогенетики.

Современное изучение индивидуального развития, или, как теперь часто говорят, биологии развития, связано прежде всего с выяснением механизмов реализации наследственной информации, проводимым на всех, уровнях биологической организации и, в первую очередь, на молекулярном уровне. Поскольку аппарат наследственности передает яйцу и каждой клетке зародыша всю генетическую информацию, а в каждом типе тканей и органов реализуется только ее небольшая часть, главной задачей сегодняшнего дня стало исследование механизма дифференциальной активности генов, т. е. того, как включаются и выключаются отдельные гены, характерные для каждого типа клеток (см. главы 23 и 2-і). Это направление, получившее также название молекулярной эмбриологии, пользуется сейчас наибольшим вниманием. Ему уделяется основное внимание и в настоящей главе.

Развитие как реализация наследственной информации

В оплодотворенном яйце с известной условностью можно различать два компонента наследственной информации. Первым и основным носителем этой информации являются хромосомы женского ядра и сперматозоида, содержащие весь набор генов. Цитоплазматические структуры яйца, специально приспособленные для обеспечения процессов развития, особенно на ранних стадиях, можно рассматривать как второй компонент наследственной информации, но уже реализованной. Эти структуры образуются в ходе оогенеза за счет активности части генов материнского генотипа. Основную роль в этом процессе играет собственно ядро ооцита — зародышевый пузырек, но в образовании яйца принимают участие и другие клетки яичника (фолликулярные, питающие и т. д.). В рамках второго компонента можно выделить митохондриальный тип наследственной информации. В онтогенезе ему принадлежит, по-видимому, небольшая роль.

Наиболее убедительные результаты, дающие прямое доказательство ведущей роли ядра в развитии, были получены в опытах Б. Л. Астаурова (1957) по диплоидному андрогенезу и английского исследователя Дж. Гер- дона (1962) по трансплантации ядер. В первых из них женское ядро в яйцах шелкопряда Bombux mori инактивировалось нагреванием или рентгеновским облучением и оплодотворялось спермиями другого близкого вида В. mandarina. В ряде случаев два мужских пронуклеуса сливались, образуя диплоидное ядро, что приводило к развитию нормального потомства. По своим признакам оно целиком походило на отцовский вид. Цитоплазма яйца В. mori никаких видовых признаков, очевидно, не передает.

Гердон использовал два подвида африканской шпорцевой лягушки, отличавшиеся по размерам, окраске и другим признакам. В результате пересадки ядра из клетки бластулы одного подвида в энуклеированное яйцо другого подвида развивались нормальные головастики и лягушки, по всем своим признакам похожие на подвид, из которого брались ядра. И в этом случае подвидовые признаки целиком определялись ядром, а по цитоплазмой.

Надо, однако, сказать, что в этих, как и во всех других подобного рода опытах, могут быть использованы только очень близкие виды, или подвиды, различающиеся по немногим и обычно второстепенным при*

знакам. Следовательно, только в отношении этих признаков и можно с уверенностью утверждать, что они передаются с ядром. В последние годы было показано, что некоторые цитоплазматические структуры — в первую очередь митохондрии, а у растений и хлоропласты — обладают собственной ДНК, т. е. собственным, обычно небольшим, наследственным аппаратом. Таким образом, описанные ранее редкие случаи цитоплазматической наследственности получили теперь материальную основу. Тем не менее количество генов, способных передаваться ДНК митохондрий, не превышает нескольких десятков, и они не могут, стало быть, играть сколько- нибудь существенной роли. Наследуемые различия, определяемые митохондриями и хлоропластами, установлены пока только у дрожжей и немногих растений.

Реализация генетической информации, т. е. активность определенных генов, синтез на них РНК, определяющей последующий синтез белка, начинается, как уже говорилось, с раннего оогенеза. В последние годы на яйцах амфибий, рыб и иглокожих были получены более детальные биохимические данные об этих процессах. В ядрах ранних ооцитов амфибий происходят дра в известной степени независимых процесса. Первый из них получил название амплификации, или умножения генов (Д. Враун, Дж. Дэвид, 1968). Он касается ядрышковых организаторов хромосом, т. е. участков ДНК, на которых образуется ядрышко и происходит синтез рибосомной РНК.

В состав рибосом эукариот (организмов с обособленным ядром) вхо- , дят три молекулы РНК, отличающиеся по молекулярному весу и константам седиментации и обозначаемые соответственно 26S, 18S и 5S. Участки ДНК, на которых происходит их синтез, можно обозначить через 26S-, 18S- и 5Э-ДНК. Д. Браун и Э. Литтна (1964) показали, что

26S- и 183-участки ДНК находятся в геноме лягушки вместе и, повторяясь приблизительно 450 раз, образуют ядрышковый организатор. 58-ДНК представлена в геноме лягушки 25—30 тысячами идентичных участков (генов), которые, однако, рассеяны по всему геному (Д. Браун, Э. Литтна, 1966). В раннем оогенезе ДНК ядрышкового организатора многократно удваивается, и эти умноженные (амплифицированные) участки ДНК, содержащие по 450 генов (26S- и 18Э-ДНК), отделяются от хромосомы и образуют в зародышевом пузырьке ооцита 1000—2000 дополнительных ядрышек, на которых происходит активный синтез рибосомаль- ной РНК. Возникает вопрос — является ли амплификация рибосомальных генов единственным примером такого рода или и в других случаях активная функция генов может осуществляться за счет размножения участков ДНК.

Синтез 5Э-ДНК происходит на соответствующих участках ДНК хромосом, которые не подвергаются амплификации. Так как большое число 5S-reHOB только частично компенсирует увеличение числа ядрышек, активность этих генов должна быть очень велика. Так в ходе оогенеза происходит накопление рибосомальной РНК и, соответственно, рибосом, которые лишь частично используются для синтеза белка в самом оогенезе, а в основном служат для обеспечения синтеза белка на ранних этапах эмбрионального развития.

Вторым процессом, происходящим в ядрах ранних ооцитов, является характерное преобразование хромосом — их удлинение и образование многочисленных выступающих петель, почему эти хромосомы получили название ламповых щеток. В это время на них происходит интенсивный синтез информационной РНК (иРНК), часть которой используется в са-

?

Схема хромосом типа «ламповых щеток» из ооцнта тритона (по Голлу, 1958)

А — при малом увеличении; Б — при большом увеличении. Видны боковые выросты в форме ручки и спирализация хромонем

мом оогенезе как матрицы для синтеза белков. Большая же часть иРНК остается в зрелом яйце и служит матрицей белкового синтеза после оплодотворения. Таким образом, еще в оогенезе, часто за много месяцев до начала развития начинается реализация генетической информации, в ходе которой создается не только сама яйцеклетка, но и запас иРНК и рибосом, обеспечивающих синтез белков на ранних стадиях эмбрионального развития (Э. Давидсон, 1969). Тем самым возникают условия для того, чтобы самые ранние этапы развития — дробление яйца и образование бластулы — у многих животных (амфибии, рыбы, иглокожие) могли протекать без непосредственного участия ядер. Это было убедительно показано в опытах, когда ядра раннего зародыша инактивировались высокими дозами радиации или химическими агентами (аналоги иприта, актиноми- цин). Развитие таких яиц с инактивированными ядрами идет внешне вполне нормально до стадии поздней (амфибии, рыбы) или средней (морской еж) бластулы (А. А. Нейфах, 1961).

Реализация морфогенетической функции ядер, обеспечивающей дальнейшее развитие зародышей, т. е. синтез РНК, начинается на относительно поздних стадиях, специфичных для каждого вида РНК. Резкая интенсификация синтеза иРНК происходит у амфибий только на стадиях средней — поздней бластулы; позже, на стадии гаструляции, начинается синтез транспортной РНК (тРНК) и еще позднее синтез рибо- сомной РНК. Синтез белка на вновь образованной иРНК осуществляется на более поздних стадиях, определяя еще более отдаленные фазы онтогенеза.

Биохимические исследования процессов реализации наследственности — синтеза РНК и белка — развернулись только в последнее десятилетие, совершенствуясь по мере развития соответствующих методов. Особенно важной и методически наиболее сложной оказывается сейчас качественная характеристика синтезирующихся иРНК.

До недавнего времени считалось, что наиболее перспективным в этом отношении является метод гибридизации РНК с ДНК, позволяющий сравнить характер иРНК, образующихся на разных стадиях. Сущность метода состоит в том, что меченая РНК может комплементарно соединяться только с теми участками одиночной нити ДНК, на которой она была синтезирована. В принципе этим методом можно различать РНК, синтезированную на разных генах. Однако в самое последнее время было показано, что этим методом определяются только те виды иРНК, которые син тезируются на многократно повторяющихся генах, составляющих около* 50% всего генома. Функциональная роль повторяющихся генов [кроме- генов, определяющих синтез рибосомных РНК (рРНК) ] еще не ясна. С достоверностью пока известно лишь следующее: по мере развития происходит смена синтезирующихся иРНК, т. е. смена активно работающих генов; в разных частях зародыша функционируют разные гены, хотя некоторые гены активны во всех клетках; часть генов, активных в оогенезе,, оказывается активной и во время эмбрионального развития.

<< | >>
Источник: И. Е. АМЛИНСКИЙ, Л. Я. БЛЯХЕР. ИСТОРИЯ БИОЛОГИИ С НАЧАЛА ХХ ВЕКА ДО НАШИХ ДНЕЙ. 1975
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме Глава 26. ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ:

  1. Эволюционное учение — теоретическая основа развития биологии
  2. 1.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ
  3. Последующее развитие дарвинизма и его влияние на биологию
  4. 8.1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ В БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
  5. СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ОХРАНЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ БОЛОТ В СВЯЗИС ПРОБЛЕМОЙ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ
  6. Глава 23. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
  7. Глава 28. КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
  8. Глава 15. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ САЙГАКОВ В СОВРЕМЕННЫЙ ПЕРИОД ,
  9. Глава 4. Вокруг советской биологии
  10. Глава 22. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
  11. Глава I ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОСТИИ РОЛЬ ПОЧВОВЕДЕНИЯ В ИХ РЕШЕНИИ
  12. Глава 24. СИСТЕМАТИКА, МОРФОЛОГИЯ И БИОЛОГИЯ КЛЕЩЕЙ
  13. Глава 29. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ В БИОЛОГИИ
  14. Глава I ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ АЭРОИОНИФИКАЦИИ И АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО