Морфогенез — процесс образования структур и органов и преобразования их формы в процессе индивидуального развития организмов. Это, несомненно, самый сложный и упорядоченный природный процесс.
В классической эмбриологии под морфогенезом обычно понимают возникновение многоклеточных структур. У хордовых животных первые видимые морфогенетические события — закладка осевых органов — отмечаются в ходе нейруляции. Однако следует помнить, что индукционные взаимодействия групп клеток (зачатков), определяющие начальные этапы морфогенеза, осуществляются еще на стадии бластулы и ранней гаструлы (см. п. 8.2.8). Таким образом, правомерно считать, что морфогенез на над-клеточном уровне начинается со стадии бластулы. В период гаструляции, как и во время нейруляции, перестройки охватывают весь зародыш. Следующие затем органогенезы представляют собой все более локальные процессы. Внутри зачатка каждого из формирующихся органов происходит дальнейшая последовательная дифференциация.
Параллельно с образованием многоклеточных структур формируются субклеточные и клеточные элементы. Происходят сложные цитодиффе-ренцировки, которые осуществляются путем координированной активности многих внутриклеточных образований — мембраны, микротрубочек и центров их организации, аппарата Гольджи и ряда других. Так, диффе-ренцировка всасывающих клеток эпителия почек и кишечника связана со сборкой мощных пучков актиновых микрофиламентов, образующих структурную основу микроворсинок, размеры и строение которых характеризуются высокой точностью (определенностью). Помимо этого происходит перестройка клеточных мембран, определяющая их будущие функциональные свойства. Эти процессы, в свою очередь, сопровождаются синтезом и пространственной организацией макромолекул, в частности, образованием и встраиванием в плазмалемму белковых комплексов, обеспечивающих различные виды транспорта веществ. Таким образом, морфогенез представляет собой многоуровневый динамический процесс, который в конечном итоге приводит к формированию интегрированной сбалансированной (целостной) особи конкретного биологического вида.
Морфогенез как рост и клеточная дифференцировка относится к ациклическим процессам, т.е. не возвращающимся в прежнее состояние и по большей части необратимым. Главное свойство ациклических процессов — их пространственно-временная организация. Проблема формирования пространственной структуры развивающегося организма относится к одной из наиболее сложных в биологии.
Каковы же движущие силы морфогенеза? Этот вопрос до сих пор остается открытым.
Безусловно, в осуществлении морфогенеза значительная роль принадлежит генетической информации, которую организм получает при фор-
мировании (образовании в момент оплодотворения). Геном обеспечивает возможность развития особи конкретного вида. Постепенные прогрессирующая и последовательная дифференциации клеточных комплексов и частей зародыша, образование определенных структур и органов в ходе его развития осуществляется на основе дифференциальной экспрессии генов (см. п. 8.2.5) в идентичных наборах (необходимо помнить о ди-плоидности зиготы и соматических клеток, что определяет возможность присутствия в генотипах разных зародышей различных аллельных форм конкретных генов). При этом в формировании даже отдельного признака, не говоря уже об образовании сложной пространственной структуры развивающегося организма, участвует значительное число генов, которое может достигать нескольких тысяч (рис. 8.55).
Система генов, регулирующих образование какого-либо органа или реализацию конкретного морфогенетического процесса, организована по иерархическому принципу. Так, в ходе онтогенеза происходит последовательная активация определенных групп генов, причем продукты ранее активированных генов влияют на экспрессию следующих групп. В генных каскадах существуют «гены-господа» («мастер-гены»), активация которых инициирует процесс и включает экспрессию целого
Рис. 8.55. Примерное число генов, участвующих в форсировании органов человека
комплекса подчиненных «генов-рабов», что в конечном итоге и приводит к формированию определенной структуры. Примером такого «мастер-гена» является ген ey, запускающий развитие глаза у дрозофилы. Убедительным свидетельством генетического контроля морфогенеза могут служить также открытые недавно различия в регуляции органогенеза трехкамерного и четырехкамерного сердца. Изучение развития сердца у амфибий, рептилий, млекопитающих и птиц показало, что ключевую роль в превращении в ходе эволюции трехкамерного сердца в четырехкамерное сыграли изменения в работе регуляторного гена Tbx5. В трехкамерном сердце этот ген экспрессируется равномерно в зачатке желудочка, а в четырехкамерном ген активен только в левой его части.
Таким образом, в геноме организмов содержится информация о развитии особи определенного вида и, кроме того, присутствуют гены, экспрессия которых может привести к формированию конкретных зародышевых листков, органов, тканей. В генотипе зиготы содержатся также аллели родителей, обладающие возможностью реализоваться в определенные признаки. Однако известно, что разноуровневая регуляция экспрессии генов (вспомним хотя бы альтернативный сплайсинг) приводит к тому, что результатом активности даже одних и тех же генов могут быть совершенно разные наборы конечных продуктов и, как следствие, множественность возможных путей развития.
Каким же образом активность отдельных генов, генных комплексов и генных каскадов может определить из каких именно клеток, в каком месте и в какой конкретной форме разовьется тот или иной орган? Этот вопрос становится еще более интригующим, если учесть такое наблюдаемое в онтогенезе явление, как перекрывание программ развития. Оно подразумевает, что в самую начальную фазу клеточной дифференци-ровки включается с разной степенью эффективности несколько разных программ развития, еще не дающих однозначного решения конечной клеточной судьбы. Например, в дифференцирующемся в катехолами-нэргическом направлении нейробласте происходит не только синтез и(м)РНК для образования компонентов катехоламинэргической системы, но и существенно более слабый синтез и(м)РНК для компонентов холинэргической системы. Если в определенный момент развития сменить иннервируемую данной клеткой катехоламинэргическую мишень на холинэргическую, то активируется синтез «холинэргических» РНК, а продукция «катехоламинэргических» начнет тормозиться. В результате произойдет изменение пути развития клетки — трансдетерминация. Несмотря на возможность изменений, в ходе эмбриогенеза реализуются
строго упорядоченные морфогенетические процессы, и с очень высокой пространственной точностью формируется организм конкретного вида, обладающий определенной структурой и значительно более богатой информацией, чем генетическая информация зиготы. Очевидно, что реализация морфогенеза не определяется только функционированием генетического материала.
Для объяснения механизмов морфогенеза был предложен ряд концепций. Суть некоторых из них заключается в определении судьбы клеток зародыша в соответствии с формируемыми в развивающемся организме градиентами.
В начале ХХ в. американским ученым Ч. Чайльдом разработана концепция физиологических градиентов. По мнению автора, пространственная локализация процессов клеточной дифференцировки и морфогенеза определяется обнаруживаемыми у многих животных градиентами интенсивности обмена веществ и совпадающими с ними градиентами повреждаемости тканей. Обычно они снижаются от переднего (головного, рострального, анимального) полюса зародыша к заднему (хвостовому, каудальному, вегетативному). Возникновение самих градиентов определяется гетерогенностью внешней среды, например распределением питательных веществ, концентрацией кислорода или силой тяжести. Любое из перечисленных условий или их совокупность могут вызвать первичный физиологический градиент в яйцеклетке. Затем возможно возникновение вторичного градиента под некоторым углом к первому. Система из двух или более градиентов и создает определенную координатную систему, функцией координаты является судьба клетки.
В 1969 г. английским биологом Л. Вольпертом сформулирована концепция позиционной информации (модель трехцветного французского флага) — одна из наиболее распространенных точек зрения на данный момент. Под позиционной информацией подразумевается зависимость судьбы той или иной клетки от ее положения (позиции) в системе развивающегося организма. Позиция определяется концентрацией химических веществ — морфогенов. По современным представлениям, морфоген выделяется из локального источника (группы клеток или определенной зоны зародыша), и во время последующей диффузии в ткани образуется градиент его концентрации. В развивающемся зародыше одновременно существуют градиенты различных морфогенов, диффундирующих из нескольких источников. Позиционная информация в виде различных концентраций разнообразных морфогенов воспринимается клетками, и их детерминация и дифференцировка определяются полученными
Рис. 8.56. Модель французского флага: а — изображение флага; б — каждая клетка потенциально может стать красной, синей или белой; в — позиция каждой клетки характеризуется определенным уровнем морфогена; г — направление дифференцировки клетки зависит от позиционной информации; 1 — концентрация морфогена; 2 — пороговые уровни морфогена
сигналами (рис. 8.56). Один и тот же набор сигналов может по-разному восприниматься и интерпретироваться клетками в зависимости от их чувствительности к различным концентрациям морфогена. Таким образом, создается своеобразная химическая мозаика, определяющая план строения организма, воплощаемый в жизнь в ходе онтогенеза. Важно то обстоятельство, что подобные градиенты морфогенов могут возникать как в целом зародыше на начальных этапах эмбриогенеза, так и в отдельных формирующихся зачатках в дальнейшем развитии. Получаемая клеткой позиционная информация определяет, какую часть образующейся структуры и в каком именно месте зародыша клетка будет формировать.
За последние годы осуществлено много исследований, посвященных роли морфогенов, особенно в развитии плодовых мушек (Drosophila) и амфибий (Xenopus). Так, у дрозофилы к группе морфогенов относят продукты активности генов с материнским эффектом, например, гена bicoid (bcd) (см. п. 8.2.6). Градиент концентрации данного морфогена в яйцеклетке определяет формирование передне-задней оси (передне-заднего направления) развивающегося организма. Морфогенами являются также факторы шпемановской индукции у амфибий. Под действием различных соотношений концентраций фактора noggin, секретируемого в области дорзальной губы бластопора, и вентрализующего фактора ВМР удалось получить различный набор осевых структур зародыша. Очень показательны в этом отношении опыты японского исследователя Асашимы. Помещение клеток дорзального полюса бластулы амфибий (презумптивной эктодермы) в растворы, содержащие различные концентрации активина (белка из группы TGF-β), приводило к их дифференцировке в клетки хорды, сердца, мышц и других структур (рис. 8.57).
Рис. 8.57. Влияние различных концентраций активина на дифференцировку клеток презумптивной эктодермы амфибии в культуре
Однако представленные концепции не обладают целостностью. Очевидно, что одинаковые сигналы могут прочитываться клетками совершенно по-разному. Кроме того, градиенты в формирующемся зародыше могут изменяться. В опытах по перемешиванию клеток зародыша, объединению нескольких зародышей, удалению части клеток зародыша, при которых все сформированные градиенты нарушаются, наблюдается тем не менее возникновение нормальных (ожидаемых) закладок и формирование полноценных сложных структур. Все сказанное позволяет сделать вывод, что возникающие градиенты не являются той единственной движущей силой, которая однозначно определяет сложнейший процесс морфогенеза.
Изменение концентрации того или иного морфогена, вероятнее всего, не определяет однозначно направление клеточной дифференци-ровки, а носит дестабилизирующий характер, т.е. выводит клетки из исходного недифференцированного состояния. Достижение же клеткой окончательного состояния зависит в значительной мере от меж-
клеточных взаимодействий, геометрии клеточных групп, их движений, механических напряжений и т.д. Рассуждения подобного рода привели к разработке в 20-30-х гг. ХХ в. концепции морфогенетического поля. Наиболее разработанные концепции эмбрионального поля принадлежат австрийскому биологу П. Вейсу и двум российским-советским ученым А.Г. Гурвичу и Н.К. Кольцову. Они рассматривают весь зародыш (на ранних стадиях развития) либо отдельный его участок (на более поздних стадиях) как единое целое, развитием которого управляет поле этого целостного образования, созданное всей совокупностью элементов данного поля. Так, у амфибий и других животных на стадии поздней бластулы можно совершенно точно указать так называемые презум-птивные (предполагаемые) зачатки — области, из которых разовьются те или иные органы (см. п. 7.4.2.2). Эти области можно рассматривать как морфогенетические поля.
По мнению П. Вейса и А.Г. Гурвича, морфогенетическое поле не обладает обычными физико-химическими характеристиками. Так, А.Г. Гурвич полагал, что в формообразовательных процессах принимает участие биологическое поле, источником которого, вероятно, являются ядро клетки, его хромосомы. Клетки оказывают влияние друг на друга своими полями. Общее (целое) поле зародыша или зачатка какой-либо структуры — объединение полей всех составляющих его клеток. Н.К. Кольцов, напротив, считал, что силовое поле, с которым связано развитие зародыша, является физическим. Оно порождает потенциалы различной природы (электрической, химической, температурной, гравитационной и др.), под влиянием которых и осуществляются морфоге-нетические процессы.
Согласно всем этим концепциям, поле развивается так же, как и зародыш. Первоначальное воздействие поля приводит к осуществлению какого-либо морфогенетического процесса (например, образованию определенной закладки), следствием чего становится изменение поля, а это, в свою очередь, приводит к дальнейшему формообразованию. Таким образом, по мере развития образуются все новые и новые поля, управляющие развитием различных структур (органов).
По мнению П. Вейса, клетки формирующегося организма пассивны, и их преобразования полностью определяются морфогенетическим полем. По теории А.Г. Гурвича — поле порождают сами клетки зародыша.
В настоящее время полями органов называют эмбриональные территории, на которые распространяется состояние целостной детерминации, т.е. способности развиваться в зачаток того или иного органа.
Экспериментально установлено, что внутри поля образуется лишь один данный зачаток, тогда как развитие второго такого же, пересаженного в то же самое поле, подавляется, или он сливается с первым. Из любого малого участка поля формируется целый нормальный орган, хотя обычно меньшего размера. Каждое из полей (полей конкретных структур или органов) развивается независимо от других, т.е. какое-либо воздействие на одно из полей не влияет на соседнее.
Все элементы целого поля тем или иным способом «ощущают» друг друга, определяют свое положение и в соответствии с полученной информацией координируют свое поведение. Каким же образом осуществляется эта координация?
В настоящее время точно установлено, что в основе координированного развития лежат межклеточные и межзачатковые взаимодействия. Так, при формировании практически любой структуры развивающегося организма (глаз, зубов, легких и др.) наблюдаются реципрокные (дву-взаимонаправленные) индуктивные взаимодействия между элементами морфогенетического поля.
Яркий пример подобных взаимодействий наблюдается при формировании конечности. Источником ее развития служат скопление клеток, происходящих из боковой мезодермы, и покрывающие это скопление клетки эктодермы (рис. 8.58). Развитие конечности начинается с активации клеток боковой мезодермы в непосредственной близости
Рис. 8.58. Расположение элементов развивающегося крыла: а — схема расположения почки крыла; б — почка крыла; 1 — почка крыла; 2 — апикальный экто-дермальный гребень; 3 — мезодерма
от сомитов, которые, возможно, оказывают индуцирующее влияние на мезодерму в области будущей конечности. Активированные мезодер-мальные клетки зачатка конечности воздействуют на покрывающую их эктодерму, в результате чего она утолщается. Верхушку этого образовавшегося утолщения эпидермиса называют апикальным эктодер-мальным гребнем. Последний стимулирует рост почки конечности (при его удалении рост почки конечности прекращается), и под его влиянием происходит дифференцировка клеток мезодермы и образование дистальных отделов конечности. Мезодерма же поддерживает гребень в активном состоянии и определяет форму конечности. Например, мезодерма из почки крыла при соединении с эктодермой почки ноги образует крыло, покрытое перьями (рис. 8.59).
Взаимодействия между элементами поля могут иметь химическую, электрическую, механическую природу. Свое влияние может оказывать также тонкая структура твердого субстрата. Подобные взаимодействия могут быть не только ближними (между соседними элементами зародыша), но и дальними — между элементами, непосредственно между собой не контактирующими (поэтому и появился сам термин «поле»).
Рассмотрим некоторые примеры таких взаимодействий. Установлено, что в формирующейся конечности есть морфогенетически активная область — зона поляризующей активности (ЗПА). Она находится у основания закладки конечности на заднем крае. Ее присутствие необходимо для формирования передне-задней асимметрии конечности,
а именно образования определенного количества, формы и расположения пальцев. Это было доказано следующими опытами. Удаление ЗПА приводило к формированию симметричной конечности, а при подсаживании дополнительной ЗПА на передний край зачатка наблюдалось зеркальное удвоение конечности (рис. 8.60). Установлено, что в ЗПА выявляется повышенная концентрация ретиноевой кислоты. Предполагалось, что создается передне-задний градиент этого вещества, который и определяет асимметрию конечности. Однако эксперименты с репортерным геном, применение которого позволяет оценить экспрес-
Рис. 8.60. Роль зоны поляризующей активности (ЗПА) в формировании конечности: а — схема эксперимента; б — фотография зародыша с зеркально удвоенной конечностью. 1 — локализация ЗПА в норме; 2 — собственная ЗПА реципиента; 3 — добавочная трансплантированная ЗПА; 4 — передний край развивающейся конечности
сию генетического материала в точке вставки этого гена, показали, что ретиноевая кислота действует не напрямую, а опосредованно, активируя синтез другого вещества, которое и является морфогеном. Это белок, кодируемый геном Sonic Hedgehog. Таким образом, в поле зачатка происходит получение позиционной информации на основе градиентов химических веществ, но это, как было сказано, лишь один из возможных вариантов.
Еще один определяющий морфогенез фактор — взаимодействия клеток с твердым субстратом. Примером могут служить эпителиаль-
но-мезенхимальные взаимодействия при образовании почки. Ее развитие происходит при участии эпителия формирующегося мочеточника и нефрогенной мезенхимы (рис. 8.61). Мезенхимные клетки продуцируют коллаген межклеточного матрикса, который повышает пролиферативную активность эпителия и стимулирует его развитие и ветвление. Под влиянием закладки мочеточника происходит конденсация клеток мезенхимы, и в ее межклеточном матриксе наблюдается замена ранее присутствующего коллагена I типа на вновь синтезируемый коллаген IV типа и лами-нин. В результате мезенхимные клетки превращаются в эпителиальные и начинают формировать капсулы и канальцы нефронов.
В реализации морфогенетических процессов определенная роль принадлежит механическим напряжениям. Так, при формировании глаза позвоночных животных образование сетчатки происходит из внутреннего сжатого слоя белочной оболочки, а клетки наружного растянутого слоя становятся пигментными (см. рис. 8.34). В эксперименте показано, что при культивировании глазного зачатка в условиях, исключающих растяжение, он весь превращается в сетчатку, а в условиях распластывания — в пигментный эпителий. Роль механических напряжений показана
Рис. 8.61. Развитие почки: а-г — последовательные стадии; 1 — мезенхима; 2 — эпителий формирующегося мочеточника; 3 — капсула нефрона; 4 — каналец нефрона
и для дифференцировки ряда других клеток — эритроцитов, фибробла-стов, клеток хряща и кости. Позднее было установлено, что механические напряжения влияют на скорость синтеза белков и нуклеиновых кислот и тем самым на процессы дифференцировки. В развитии зародыша дрозофилы под действием давления, оказываемого на глотку следующими за ней отделами кишки, происходит активация гена Armadillo. Этот ген может быть активирован и искусственным механическим давлением. Если давление устранить, то экспрессия гена не происходит.
Некоторое время назад считалось, что в межклеточных пространствах, так же как и в цитоплазме и клеточном ядре, находится что-то вроде разбавленных растворов, в которых осуществляется свободная диффузия сигнальных молекул. К настоящему времени, однако, накапливаются данные в пользу «твердотельной» модели, согласно которой большинство сигналов передается по «жестким конструкциям» из определенных белковых молекул. Эти конструкции собираются в ответ на специфические сигналы и разбираются в их отсутствие. В такой системе свободная диффузия молекул возможна лишь на весьма короткие расстояния (в несколько нанометров), а основная часть сигналов передается именно благодаря структурным перестройкам белковых конструкций. В связи с этим считают, что ядро, цитоплазма и внеклеточный матрикс обладают динамической, т.е. постоянно изменяющейся, архитектурой.
Таким образом, в ходе морфогенеза реализуются разнообразные межклеточные взаимодействия, осуществляемые на основе действия химических, физических и иных факторов. При рассмотрении процессов формообразования их действие разграничить весьма сложно. Каким бы ни было воздействие, в результате него клетка тем или иным путем получает определенный сигнал. В большинстве случаев это происходит посредством взаимодействия сигнальных молекул (лигандов) с рецеп-торными белками мембран клеток-мишеней. Сигнальная молекула может выделяться клеткой и передаваться по межклеточному пространству к клетке-мишени, может быть встроена в мембрану клетки и при контактных межклеточных взаимодействиях восприниматься клеткой-мишенью, или может быть выделена клеткой и при взаимодействии через внеклеточный матрикс фиксирована на его компонентах. Образующийся лиганд-рецепторный комплекс активирует внутриклеточный сигнальный путь (как правило, это цепь биохимических реакций, в которых принимают участие различные вторичные посредники — см. раздел 2.4.2). В итоге достигается изменение экспрессии (например, активация) определенных генов и необходимая реакция клеток-
мишеней: синтезируются требуемые белки, изменяется интенсивность энергетического обмена, запускаются клеточная пролиферация, апоп-тоз, дифференцировка и таким образом реализуется морфогенетический процесс. Оказалось, что сигнальные пути (каскады) очень консервативны. Набор сигнальных молекул и путей передачи сигналов сравнительно невелик. Они работают в морфогенезе беспозвоночных и позвоночных животных, что свидетельствует об их появлении в эволюции у общего предка двустороннесимметричных животных. Для некоторых видов межклеточных взаимодействий выявлены молекулярные механизмы, т.е. основные звенья сигнальных каскадов от лиганда через трансмембранные рецепторы и вторичные (внутриклеточные) посредники до активируемых генов.
Наряду с консерватизмом сигнальные пути обладают высокой степенью гибкости при ответах на межклеточные взаимодействия. Каждый сигнальный каскад (сигналлинг) неоднократно включается в разных тканях в процессе развития организмов, регулируя пространственную и временную специфичность экспрессии генов, определяющих пути дифференцировки различных клеток разнообразных формирующихся структур. Так, белки семейства Hh (Hendgehog) млекопитающих в качестве лигандов принимают участие в морфогенезе конечностей, образовании аорты и основных вен, регионализации нервной трубки и многих других процессах. Считают, что у позвоночных развитие лишь небольшого числа морфологических отделов тела не подвержено влиянию Hh-сигнала. У дрозофилы Hh-белки экспрессируются в клетках заднего отдела каждого имагинального диска. Им принадлежит центральная роль в эмбриональном развитии крыла, глаза, конечностей, гонад, брюшка, кишки и трахеи.
Неоднозначные эффекты одного и того же лиганда объясняются следующим. Возможно образование множества изоформ лигандов и рецепторов. Лиганд способен связываться с разными рецепторами. В свою очередь, один и тот же рецептор в разных тканях может активировать разные внутриклеточные посредники. Таким образом оказывается влияние на экспрессию разных групп генов и активируются альтернативные пути развития клеток. В регуляции экспрессии генов-мишеней могут одновременно участвовать несколько сигнальных путей, которые связываются между собой через боковые передающие цепочки, влияя друг на друга промежуточными продуктами. Результаты регуляции существенно зависят от параметров взаимодействия между каскадами. Подобные «разветвленные» взаимодействия обусловливают формирование сигнальных сетей.
Таким образом, действие одних и тех же лигандов, активация одних и тех же сигнальных путей, экспрессия одних и тех же (или очень близких по структуре) генов у разных видов животных и даже у одного и того же вида на разных стадиях развития приводит к осуществлению совершенно различных дифференцировок. Возможно также и обратное. Формирование гомологичных органов у эволюционно родственных групп организмов происходит под контролем совершенно различных молекулярно-генетических систем. Это позволило сделать заключение, что гены или сигнальные пути, взятые сами по себе, не могут управлять дифференцировкой клетки. Ответ клетки на конкретный сигнал и активация ею того или иного молекулярно-генетического механизма определяется всей предыдущей историей развития данной клетки. С этой точки зрения результаты межклеточных взаимодействий являются контекст-зависимыми. Под «контекстом» понимают состояние конкретной клетки в данный момент, которое определяется ее онтогенетической историей.
Существование предшествующей истории развития (контекст-зависимость) позволяет в некоторых случаях легко трансформировать дифференцированную клетку в другой клеточный тип. Например, фи-бробласт можно трансформировать в миобласт (мышечную клетку), если активировать лишь один ген МуоВ. Он, в свою очередь, запускает действие других генов, которые кодируют специфические мышечные белки. Такая возможность обусловлена близким сходством «контекстов» фибробластов и миобластов, т.е. сходством начальных стадий их дифференцировки.
Процесс формообразования может быть реализован при изменении положения, уменьшении или увеличении количества бластомеров, в атипичном месте или изолированно от организма. Так, если зачаток бедра куриного зародыша культивировать в искусственной среде, он продолжает развиваться в прежнем направлении. Глаз крысы, изолированный на стадии 14-17 сут, продолжает автоматически развиваться, хотя дефектно и медленнее. Через 21 сут глаз в культуре тканей приобретает ту степень сложности структуры, которую нормально он уже имеет на 8-е сутки после рождения крысы. Морфогенетический процесс может быть запущен активацией определенных генов или в результате взаимодействия элементов зародыша. Следовательно, можно предположить, что в процессе формирования структуры зародыша обладают способностью к саморазвитию, в достаточной степени автономны и регулируются самой целостной развивающейся системой.
Это позволяет рассматривать морфогенез как самоорганизующийся и самоконтролируемый процесс, причем целостными свойствами обладает не только каждая по отдельности стадия развития данного органа, но и весь путь развития.
Для объяснения всех этих явлений на вооружение взята физико-математическая теория самоорганизации неравновесных природных систем, как биологических, так и небиологических. Термин «самоорганизующаяся система» ввел в 1947 г. английский кибернетик У.Р. Эшби.
Однако сегодня еще рано говорить о появлении единой теории самоорганизации. Можно лишь констатировать существование различных концепций самоорганизации. В частности, можно указать на работы известного биолога К. Уоддингтона о морфогенезе как системе креодов. В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. Взаимодействие генов и среды описывается на следующей модели (рис. 8.62). Эмбриональное развитие сравнивается с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками, названной эпигенетическим ландшафтом (пространство возможностей). Структурно-устойчивые пути развития структур (желобки) обозначаются как креоды. Самый глубокий желобок, соответствующий наиболее вероятному пути, определяет нормальное развитие организма. У этого основного желобка есть много разветвлений, менее глубоких, соответствующих отклонениям в развитии, по ним шарик покатится с меньшей долей вероятности. Мутации меняют
Рис. 8.62. Эпигенетический ландшафт Уоддингтона
соотношение вероятностей разных путей (на рисунке — меняется глубина желобков), и увеличивают вероятность развития по «неправильному» пути. Однако в части случаев воздействие среды может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития. Используется широкое понимание термина «среда»: среда внутриклеточная (овоплаз-матическая сегрегация), внутриорганизменная (межклеточные и межзачатковые взаимодействия, гормональный фон и т.д.), внеорганизменная среда (в том числе воздействие лекарственных средств).
Близкие идеи лежат в основе концепции диссипативных структур. Диссипативными (от лат. dissipatio — рассеяние) называют энергетически открытые, термодинамически неравновесные биологические и небиологические системы, в которых часть энергии, поступающей в них извне, рассеивается. В настоящее время показано, что в сильно неравновесных условиях, т.е. при достаточно сильных потоках вещества и энергии, системы могут самопроизвольно и устойчиво развиваться, дифференцироваться. В таких условиях возможны и обязательны нарушения однозначных причинно-следственных связей и проявления эмбриональной регуляции и других явлений. Примерами диссипативных небиологических систем являются химическая реакция Белоусова-Жаботинского, а также математическая модель абстрактного физико-химического процесса, предложенная английским математиком А. Тьюрингом. В общих чертах применительно к морфогенезу идея такова (рис. 8.63). В некоторых самоорганизующихся системах существует первоначально
Рис. 8.63. Реакционно-диффузная модель морфогенеза: а — взаимодействие веществ в системе; б — последовательные стадии образования пиков в процессе морфогенеза; в — трехмерная модель области, где осуществляется формообразование; г — примеры окраски животных, морфогенез которых удалось смоделировать
однородное распределение молекул веществ. В простейшем случае их два: активатор и ингибитор, которые взаимодействуют друг с другом. В таких системах распределение веществ может спонтанно становиться волновым — появляются области с высокой (пик) и низкой концентрацией. Такая система названа реакционно-диффузной. При увеличении размеров системы число таких областей (пиков) возрастает. В случае нелинейных взаимодействий образуются сложные пространственно-временные режимы типа диссипативных структур — стационарных во времени и неоднородных по пространству распределений концентраций веществ, поддержание которых происходит за счет диссипации энергии системы.
С использованием этой модели была осуществлена динамическая компьютерная имитация формирования окраски у различных животных, например зебры, гепарда и др. Установлено, что запуск и остановка морфогенеза окраски происходит под управлением генетического аппарата, а формирование всего богатства окраски — результат образования различных диссипативных структур в ходе развития автоволновых процессов.
Несмотря на огромный интерес к процессу морфогенеза, многие проблемы формообразования остаются нерешенными. Теория морфогенеза до сих пор отсутствует, и его движущие силы остаются нераскрытыми. Все перечисленные концепции целостности развития носят пока фрагментарный характер, освещая то одну, то другую сторону процесса. Очевидно, что в ходе дальнейших научных исследований будут даны ответы на многие актуальные вопросы морфогенеза.