Животные анализируют мир

Уже упоминалось, что организационный центр в яйце стрекозы находится в задней части продолговатого яйца насекомого. Подобный центр обнаружил К. Зандер из Фрайбурского университета в яйцах других насекомых, например цикадки. Вспомним и опыт, который описан ранее, — лигатурой отделялась часть яйца, и насекомое возникало только в той части, где находился организационный центр. А Зандер видоизменил опыт, он передвинул часть цитоплазмы с организационным центром с заднего конца на середину яйца и только после этого перевязал яйцо лигатурой. Получился интересный результат: задние сегменты возникли по ту и другую сторону от организационного центра. Следовательно, и в этом случае действие организационного центра можно объяснить как работу регулировщика, испускающего позиционный сигнал.

Сразу же нужно отметить, что механизмы морфогенеза, основанные на позиционной информации, разумеется, не единственные, с помощью которых определяется форма развивающегося организма. Позиционная информация может определить крупные «блоки» тела, развертывающегося в пространстве. Изучая различные рисунки на раковинах, раскраску крыльев бабочек, раскраску птиц и рыб или же папиллярные линии на концах наших пальцев, можно понять, что посредством позиционной информации нельзя передать пространственный рисунок, сотканный живой материей.

Сами биологи признают, что они не имеют никакого представления о том, как осуществляется позиционная сигнализация, ведь она может передаваться и простыми ионами, и сложными нуклеиновыми кислотами. А как клетки, используя позиционный сигнал, точно узнают свое местоположение, — это еще одна загадка. И все же, несмотря на огромное количество белых пятен в этой концепции, отказываться от нее не стоит. Ведь позиционная информация наряду с морфогенетическим полем, может быть, как раз и «лепит» живые формы в пространстве.

Не получила достаточного экспериментального подтверждения также гипотеза, выдвинутая специалистом в области морфогенеза Б. Гудвином, но она вполне заслуживает серьезного обсуждения и привлекает к себе внимание многих биологов. В основе этой гипотезы лежит предположение, что важным фактором формообразующих процессов в развивающихся системах являются повторяющиеся периодические колебания, возникающие в самом организме. Такие колебания могут вызываться ионными потоками, идущими из активных центров, следовательно, они сопровождаются электрическими пульсирующими сигналами. Вспомним амеб слизистого грибка диктиостелиума, которые по сигналу собираются к центру агрегации, чтобы образовать многоклеточный грибок, — они ведь периодическими волнами движутся к месту сбора. Отрезаем у крупной водоросли ацетобулярии зонтик, начинается регенерация, опять можно зарегистрировать повторяющиеся электрические потенциалы.

У морских гидроидов — таких, как тубулярия и обелия, после отрезания части тела со щупальцами отмечена сначала миграция клеток в область среза. Через пять часов клетки собираются вблизи от места среза, и из этой зоны клеточного сгущения вначале наблюдаются неупорядоченные сокращения, а затем волнообразные сокращения принимают упорядоченный характер. Организованные периодические волны сокращений идут через каждые восемь — десять минут; а на последних фазах регенерации следуют более частые сокращения — с периодом четыре-пять минут. Вот такие сверхнизкочастотные сокращения и помогают гидроиду как бы «прозванивать» свое тело при регенерации, ощущать форму всего организма и «лепить» — нужную форму.

Исследователь Б. Гудвин считает, что не только при регенерации, но и при развитии зародыша по его оси могут проходить сигналы с определенным интервалом. Сигналы могут исходить даже из двух близко расположенных центров в виде колебаний с различной частотой. Там, где амплитуда колебаний будет входить в резонанс, могут возникать повышенные энергетические области, в которых может происходить активация одних и тех же генов. Действительно, теоретические выводы Б. Гудвина как бы подтверждаются. Достаточно посмотреть на развивающийся зародыш позвоночных — и можно отметить повторяющиеся одинаковые структуры, расположенные вдоль оси зародыша с равномерными промежутками. Так закладываются, например, сегментированные структуры — сомиты. Их можно найти и у рыб, и у птиц, и у человека, в зародышах всех позвоночных животных. Сегментированные структуры характерны также для большинства беспозвоночных животных.

Как гипотеза позиционной информации, так и привнесенная в биологию из математики и теоретической физики теория диссипативных или неравновесных структур, в которых совершаются колебания, требуют еще экспериментального подтверждения. Но можно надеяться, что именно разработка таких теорий привнесет новые успехи в науку, ибо сочетание интуитивных построений и экспериментальных данных подчас приводит к революционным сдвигам в познании. Профессор Московского университета Л. В. Белоусов — один из ведущих специалистов в области морфогенеза — считает, что оптимальное решение проблем формообразования, возможно, со временем включит в себя как теорию диссипативных структур, так и теорию морфогенетических полей. С этим мнением нельзя не согласиться. Однако процесс морфогенеза и регуляции формы живых организмов настолько сложен, что в процессах формообразования вполне могут принимать участие также позиционная информация и способность организмов к творчеству во время развития.

На первый взгляд может показаться, что произошла ошибка. Как это можно эмбриогенез рассматривать как творческий процесс? Однако американский исследователь В. Эльзассер именно так и считает. По его мнению, анализ молекулярнобиологических явлений в терминах физики и химии не является полным. Мысль приходит все к тому же, о чем мы говорили раньше: биологические объекты нельзя исследовать только методами классической механики, так как введение любых приборов или датчиков в живые клетки нарушает их структуру. Тогда живые объекты могут быть описаны законами статистической физики. Однако и здесь можно найти существенное отличие живых систем от физических и химических. Живые системы настолько гетерогенны, что невозможно произвести усреднение при исследовании их поведения обычными методами. К большинству систем мы применяем механистическое описание, выделяем отдельные части их поведения, упрощаем и стремимся понять общее по изучению отдельных частей. Для изучения развивающихся систем такой прием не подойдет. Ведь для формообразовательных процессов живые структуры отбирают такие информационные сигналы, которые энергетически почти не различимы с шумом. Вот эта способность живого выбирать нужные сигналы и может быть отнесена к творчеству. Большинство неживых систем стремится К равновесному состоянию, в них возрастает энтропия, а живые системы, наоборот, нарушают закон возрастания энтропии в процессах передачи информации. Особенно наглядно это видно в развивающихся системах, когда количество информации в ходе морфогенеза резко возрастает.

Какую же роль тогда можно отвести генам, если весь организм творчески подходит к своему развитию? Нужны ли они? Бесспорно.

Гены при таком подходе представляют собой как бы оперативные символы, с помощью которых реализуются творческие процессы в эмбриогенезе, регенерации и во всем индивидуальном развитии. Наличие генов необходимо для синтеза строго индивидуальных белков, но их недостаточно для развертывания тела в пространстве. Таким образом, В. Эльзассер, введя концепцию творческой способности развивающихся организмов, признает, что в природе существуют обобщенные закономерности, не сводимые к математически выражаемым законам, к физическому и химическому уровням развития материи.

Электростимуляторы роста и регенерации

Сколько бы мы ни рассуждали о морфогенетических полях, их природа для нас остается загадочной. Но один компонент этих полей явно действует на процессы формообразования и роста у живых организмов. Таким компонентом является их электрическое поле, создаваемое живыми клетками и отдельными органами. И тут ученые пошли еще дальше: они пытаются даже имитировать слабые электрические поля и ускорять регенерацию органов и тканей с их помощью, а иногда даже менять весь формообразовательный процесс.

Так уж получилось, что человек прежде всего познакомился со свойствами электрических полей — очень эффективное действие оказывают друг на друга заряженные объекты. Поэтому уже с конца XIX века исследователи начали проверять действие электрического поля на растения и животных, особенно во время роста и развития испытуемых объектов. Несовершенное оборудование и противоречивые результаты не позволили сделать объективных выводов. Но техника эксперимента оттачивалась, и уже в 1922 году Э. Лунд обнаружил интересную закономерность — слабые электрические токи, пропускаемые через среду, могут ориентировать плоскость первого деления в яйцеклетке бурой водоросли фукус. Первое деление шло в плоскости, перпендикулярной к направлению тока. Но еще более интересные результаты появились у того же автора, когда он изучал действие электрического поля на полярность регенерирующего гидроида.