Морфогенетические поля

В классической эмбриологии  под морфогенезом обычно понимают возникновение  многоклеточных структур. У Хордовых первые очевидные (бесспорные) морфогенетические  события — закладка осевых органов  — происходят, по-видимому, на стадии нейруляции. Параллельно с образованием многоклеточных структур путем новообразования  и скоординированных преобразований внутриклеточных (главным образом, цитоплазматических) структур — мембран, микротрубочек, митохондрий, лизосом  и пероксисом, аппарата Гольджи и ряда других - происходят цитодифференцировки, результатом которых является зрелый многоклеточный организм с необходим для обеспечения полноценной жизнедеятельности набором специализированных в морфофункциональном и метаболическом плане клеточных типов.(цитотипов или цитофенотипов, у человека – 220-250). Наряду со специализированными (дифференцированными) клетками в органах зрелого организма, по-видимому, сохраняются незрелые, спобные к пролиферации и специализации в определенных направлениях региональные или резидентные стволовые (прогениторные) клетки. Морфогенез представляет собой видоспецифичный многоуровневый динамичный процесс, являющийся обязательным элементом онтогенеза. Морфогенез, также как клеточная дифференцировка и рост, относится к ациклическим, фактически необратимым процессам, отличающимся закономерностью и уникальностью для каждого биологического вида. Главное свойство ациклических процессов — их пространственно-временнойая 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.

В осуществлении  морфогенеза существенная роль принадлежит  “стартовой” (начальной) генетической информации, которую нарождающийся  организм каждого очередного поколения  получает в момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом (для видов с половым  размножением). Согласно общепринятому  в настоящее время мнению основу постепенной и последовательной дифференциации структур и органов  зародыша в эмбриогенезе составляет дифференциальная экспрессия генов.При этом в формировании каждого органа, в образовании сложной пространственно упорядоченной, имеющей определенные пропорции частей структуры целостного зрелого организма, участвует значительное число генов, которое может достигать десятков, сотен и тысяч.

Система генов, регулирующих образование какого-либо органа или  реализацию конкретного морфогенетического процесса, организована по иерархическому принципу. Так, в ходе онтогенеза происходит последовательная экспрессия определенных групп генов, причем продукты (нередко  это транскрипционные факторы) ранее  экспрессируемых генов влияют на экспрессию следующих групп . В генотипе зиготы содержатся также аллели родителей, обладающие возможностью реализоваться в определенные признаки. Вместе с тем, можно думать, что разноуровневая регуляция экспрессии генов, в частности, структурных - транскрибируемых и транслируемых (вспомним, хотя бы, альтернативный сплайсинг) приводит к тому, что результатом функционально-генетической активности (транскрипции) даже одних и тех же генов могут быть совершенно разные наборы 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 (суб)программ развития. Оно подразумевает, что в самую начальную фазу клеточной дифференцировки включается с разной степенью эффективности несколько (суб)программ развития, что не дает однозначного решения клеточной судьбы в дебюте развития. Несмотря на возможность определенных изменений, в ходе эмбриогенеза реализуются строго упорядоченные морфогенетические процессы. С высокой пространственно-временной и содержательной точностью отдельных локальных актов развития формируется зрелый организм конкретного вида, в котором содержится значительно больший объем биоинформации в сравнении с объемом генетической информации зиготы. Из сказанного следует, что реализация морфогенеза (в общем виде развития зрелого организма) не определяется только функционированием родительского стартового генетического материала зиготы.

Для объяснения механизмов морфогенеза был предложен ряд  концепций.

В 1969 г. английским биологом Л. Вольпертом сформулирована концепция позиционной информации ) — 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. 

Изменение концентрации того или иного морфогена, вероятнее всего, не определяет однозначно направление клеточной дифференцировки, а носит дестабилизирующий характер, т.е. выводит клетки из исходного недифференцированного состояния. Достижение же клеткой окончательного состояния зависит в значительной мере от межклеточных 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 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 презумптивные (предполагаемые) зачатки — области, из которых разовьются те или иные органы. 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, является 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 морфогенетические процессы. Рассмотрим подробнее каждую гипотезу. Гипотеза Л. Г. Гурвича разрабатывалась с 1913 г. и была завершена в 1944 г. Первоначальная концепция поля (1922—1930) была чисто идеалистической. Процессы развития зародыша мыслились как материализация «динамически преформированной морфы».

Изучая гистологию формирующегося хрусталика и роговицы, а также растущего корешка  лука, Гурвич решил, что распределение  митоза беспорядочно, хаотично, не детерминировано  строго, подчинено закону случая. Он решил создать концепцию, согласно которой поведение «однородных  элементов» всех микроморфогенетических процессов регулировалось бы «единым фактором». Морфогенез определяется этим единым фактором — «преформированной морфой». Морфогенез, по Гурвичу, — это перемещение клеток, упорядочивание их пространственного расположения и движение клеток в каждый данный момент определяется законом, связанным с еще не существующей в этот момент структурой, с окончательной конфигурацией зачатка. Первоначальная концепция поля мыслилась им как нематериальный фактор, стоящий над клетками, над материей. В 1944 г. А. Г. Гурвич написал о новой «теории биологического поля», в которую включил понятие «поле клетки». Область действия этого поля выходит за пределы клетки и клетки оказывают своими «полями» влияние друг на друга. Этим определяются движения находящихся поблизости клеток. Происходит синтез клеточных полей в единое «актуальное поле». Поля складываются подобно правилам векторного сложения, но свойства «общего поля» нельзя объяснить только свойствами «полей» клеток. По мере удаления клеток их взаимодействия быстро ослабляются, так как интенсивность действия поля обратно пропорциональна квадрату расстояния. В ходе эмбрионального развития все время происходит эволюция «поля целого», целое в данное мгновение развития определяет ход дальнейшего развития. По мнению Гурвича, клеточное поле анизотропно, оно непрерывно и преемственно, имеет радиальное строение, при делении клетки делится и ее поле. «Поле», «целое», как и в первоначальных представлениях Гурвича, оказывается и в новой интерпретации биологического поля чем-то стоящим над клетками, над зародышем.Некоторые эмбриологи полагают, что всю глубину идей Гурвича и их плодотворность можно по достоинству оценить только теперь, что он опередил свое время, не был правильно понят современниками .

В понятие «поля» исследователи вкладывали разное содержание. Дж. С. Гексли и Г. Р. де Бер (1934) думали о поле как об области, в пределах которой определенные факторы действуют одинаково. Внутри поля, по их представлениям, существует состояние равновесия. Поле — это единая система, а не мозаика, где одни части можно было бы удалить или заменить так, чтобы при этом система не изменилась. Внутри поля-системы может быть разная концентрация химических веществ, могут быть градиенты метаболизма в смысле физиологических градиентов Чайлда.

По К. Уоддингтону, «поле» можно представить как систему, организация которой обусловливается тем, что положение, занятое неустойчивыми ее частями в одном участке системы, порождает определенные отношения к положению, занятому подобными же частями в других участках. Их уравновешенное состояние и обусловливает эффект поля. Уодингтон считает, что это представляет близкую аналогию с равновесием, наступающим в частице стали, когда сама она ориентируется в направлении магнитных сил.

Г. Шпеман также применял понятие поля. Его поле организатора (Organizationsfeld) по существу равнозначно «доминантной области» Чайлда. Как мы увидим, Чайлд внес физиологическое содержание в морфологические представления Шпемана об организационных центрах. По Чайлду, организационные поля — это участки зародыша, которые доминируют, определяют развитие других участков, отличаясь более высокой физиологической активностью.

Рассмотрим гипотезу Вейса. По П. Вейсу (1925, 1927, 1930), поле— это система сил, имеющих определенное направление, т. е. система векторов. Первоначальные представления о поле Вейс создал на основании явлений регенерации, анализируя роль остатка ампутированного органа. Регенерация, например, конечности тритона — это не сумма тканевых регенераций, а целостный процесс, зависящий от системы влияний, которая может быть определена как морфогенетическое поле. Поле присуще остатку органа как целому, оно имеет динамический характер. После ампутации органа поле действует на регенерационную бластему, которая является нуллипотентной. Формообразовательные воздействия на нее не локализованы в тех или иных частях остатка органа. Более того, между тканями остатка органа и тканями регенерата нет никакой генетической связи. В числе доказательств этого утверждения были опыты, согласно которым удаление из остатка органа кости или мускулатуры не препятствует нормальному развитию регенерата.

Вейс применил понятие поля и к эмбриональному развитию. Яйцо характеризуется единым полем. В результате расчленения поля происходит дифференциация частей и автономизация их. Части зародыша индифферентны и организуются под влиянием целого. Поле, по Вейсу, материально, но оно не химической природы, так как химические факторы могут активировать, а не создавать поле.

Итак, Вейс, не удовлетворяясь одними клеточными параметрами, создал представление о поле как факторе развития, факторе детерминации, предполагая, что клеточный материал, на который действует поле (регенерационная бластема, части зародыша), является сам по себе индифферентным. В развивающемся организме образуются новые и новые поля, так что весь организм оказывается разбитым на ряд сфер действия, соответствующих полям различных органов. Эти представления очень близки к предложениям Е. Гиено о. существовании регенерационных территорий — хвоста, правой задней конечности и т. п.

Процесс регенерации  представлялся П. Вейсу таким образом: из морфогенетического регенерационного поля—«поля органа» возникают подчиненные поля: кожи, скелета, мускулатуры. Эти поля осуществляют дальнейшую детерминацию, и создаются новые: плечевой кости, локтевого сустава и т. д. Поля находятся в иерархической зависимости друг от друга, развитие регенерата следует представить себе как субординацию полей.

Наиболее уязвимо  в теории Вейса — представление о пассивности, нуллипотентности клеточных систем, на которые действует поле. Эта теория является в сущности крайним выражением взглядов на явления формообразования как на реактивные процессы.

Среди существующих гипотез несомненно интересна и в настоящее время гипотеза Н. К. Кольцова. Представления Н. К. Кольцова (1934) о целостности организма и его теории поля чужды витализму. Это попытка рассмотрения данных экспериментальной эмбриологии и генетики в физико-химическом аспекте. По Кольцову, начинающий развиваться зародыш — это силовое поле. В ходе развития разные пункты силового поля характеризуются разностью потенциалов. Речь идет не только об электрических потенциалах, но и о химических, температурных, гравитационных, диффузионных, капиллярных, механических и др.  Кольцов с предельной ясностью говорит о физическом характере силового поля, причем его теория поля выгодно отличается от изложенных ранее «реактивных» теорий тем, что поле выводится именно из состояния клеток, а не оказывается фактором, стоящим над зародышем, фактором, приходящим к нему извне. При состоянии биофизики 30-х годов Кольцов не мог создать более конкретных физических представлений о поле зародыша. Поведение каждого участка зародыша зависит от его предварительной структуры, от влияния общего силового поля и влияния близлежащих областей этого поля. Представления Кольцова в этом отношении выгодно отличаются от шпемановских, что особенно наглядно, когда он прибегает к понятию «индукция». «Конечно, в силовом поле развивающегося яйца и зародыша нет участков, которые мы могли бы назвать исключительно организаторами или исключительно индуцируемыми: в каждом участке выражены обе функции, только в разной пропорции. Это положение непосредственно вытекает из самого понятия о едином, но расчлененном силовом поле». При развитии зародыша все более усложняется его структура и структура разных его частей — происходит дифференциация. Кольцов вводит понятие «силовое поле внешней среды» (гравитационное, световое и химическое), приписывая ему важное значение, так как оно влияет на силовое поле внутри зародыша, например определяет направление роста у сидячих животных.. Как видим, Кольцов при создании своей теории поля последовательно проводит принцип физико-химического рассмотрения явлений эмбрионального развития.