Голосования

Какой теорией происхождения жизни вы придержавайтесь?
 

Узнал новое?

Поделись с друзьями:

Наша кнопка

88x31 Код




ШМАЛЬГАУЗЕН РЕГУЛЯЦИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАЗВИТИИ - Глава VI ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ЯДРОМ И ЦИТОПЛАЗМОЙ В НАРУШЕННЫХ СИСТЕМАХ (ГИБРИДЫ И МУТАЦИИ)
(0 голоса, среднее 0 из 5)
Литература

Если формообразование определяется взаимодействием частей с различно дифференцированной цитоплазмой, а эта  дифференцировка, в свою очередь, является выражением взаимодействия между ядром и цитоплазмой, то естественно ожидать  что при совмещении ядра и цитоплазмы разных видов или при изменении строения ядра и его хромосом нормальное  формообразование окажется нарушенным. При межвидовой гибридизации всегда происходит совмещение цитоплазмы яйца  одного вида с ядром, имеющим смешанное происхождение от обоих видов. Результат зависит от степени межвидовых различий.  Более отдаленные формы вообще не дают гибридов, так как их половые клетки несовместимы. Так как со сперматозоидом  вносится лишь ничтожная масса цитоплазмы, то мы можем с достаточным основанием говорить о несовместимости ядра  сперматозоида с цитоплазмой яйца другого вида. Это подтверждается многочисленными наблюдениями, когда в результате  экспериментальной гибридизации яйцо активируется и приступает к нормальному дроблению, но при участии одного только  материнского ядра. Ядро, внесенное сперматозоидом, остается неактивным и постепенно дегенерирует. В этих случаях яйцо  развивается по сути партеногенетически (гиногенез) и может дать начало нормальному гаплоидному организму. Гибель ядра сперматозоида указывает на полную  невозможность взаимодействия между ядром и цитоплазмой, являющегося основой жизненных процессов любой клетки.

В других случаях, а именно тогда, когда видовые различия не столь велики, объединение обоих ядер происходит нормально.  Яйцо дробится, развитие зародыша начинается, как будто, нормально, но рано или поздно останавливается, и зародыш гибнет.  Ясно, что взаимодействие между хромосомами отцовского ядра и материнской цитоплазмой все же нарушено.

В последнее время подробно изучены различные комбинации межвидовых гибридов у амфибий. Обычно такая гибридизация  имеет летальный эффект даже в случае развития гаплоидного организма. Обычно развитие гибридов бесхвостых амфибий  останавливается на стадии поздней бластулы или ранней гаструлы, т. е. как раз тогда, когда начинаются процессы  детерминации частей зародыша, связанные с изменением клеточного метаболизма. Формообразование возможно лишь на основе  нормального взаимодействия между ядром и цитоплазмой одного и того же вида. У гибридов это взаимодействие оказывается  нарушенным.

У хвостатых амфибий гибриды, как правило, живут дольше, но все же обычно до метаморфоза не доходят. Даже такие близкие  виды, как Triturus cristatus и Triturus marmoratus, которые естественно спариваются в местах совместного обитания (Западная  Франция), дают гибридов, которые в большинстве гибнут на личиночных стадиях развития и не доходят до метаморфоза. Лишь  очень немногие гибриды проходят благополучно метаморфоз, а еще реже они достигают половозрелости. Естественные  гибриды этих видов были описаны как Triturus blasii. Численное соотношение полов у них несколько нарушено в пользу самок.  Плодовитость последних при скрещивании с исходными видами сильно снижена, а самцы совсем стерильны. Все это говорит о  глубоких нарушениях развития даже при гибридизации между очень близкими видами. В некоторых случаях гибридизация  возможна и между ясно обособленными видами, однако такие гибриды обычно бесплодны (классический пример — мулы).  Бесплодие гибридов объясняется глубокими нарушениями в процессах созревания половых клеток. Эти нарушения являются  особенно чувствительным реагентом. Даже при скрещивании подвидов или различных рас плодовитость полученных гибридов,  несмотря на их зачастую мощное развитие (гетерозис), обычно оказывается сниженной. Это всегда указывает на различное  строение основных компонентов ядра — хромосом, которые образуют в каждом виде и расе определенную точно  сбалансированную систему. При совмещении хромосом двух разных видов или даже рас в одном ядре этот нормальный  генный баланс оказывается нарушенным. Это сказывается, прежде всего, на плодовитости, а затем, при больших различиях, и на жизнеспособности развивающихся гибридов.

Значение ядерных структур (в системе ядро — цитоплазма) для развития видно также при сопоставлении организмов с  измененным числом наборов хромосом (от гаплоидов до полиплоидов), с измененным числом хромосом в отдельном наборе  (ге-тероплоидия), с измененной структурой хромосом (перестройки и нехватки) и с измененными элементарными их  единицами — генами (генные мутации). Эти случаи особенно интересны для разбираемых нами вопросов формообразования,  так как при этом происходит не сопоставление ядра и цитоплазмы разных видов или рас, т. е. чуждых образований, а  сопоставление измененного ядра с цитоплазмой того же вида. В этом случае не может быть речи о биохимической  несовместимости веществ цитоплазмы и ядра, а только о нарушении нормальных соотношений.

Простые нарушения количественных соотношений между нормальным ядром и цитоплазмой, как и нужно было ожидать, не  ведут к каким-либо значительным изменениям. Раньше этим соотношениям приписывалось даже известное детерминирующее  значение. Однако экспериментальное нарушение чисто количественных соотношений ведет к быстрому их восстановлению.  При искусственном партеногенезе яйца морского ежа в нормальной массе его протоплазмы заключается вместо двух ядер  только одно материнское ядро и, следовательно, половина нормального числа хромосом. Такое гаплоидное яйцо дробится  совершенно нормально. При каждом делении масса цитоплазмы уменьшается примерно вдвое. Гаплоидное яйцо испытывает,  однако, еще одно лишнее деление, в результате этого масса цитоплазмы становится в каждой клетке вдвое меньше, чем в норме,  т. е. в точности соответствует своим уменьшенным ядрам. Число клеток соответственно оказывается вдвое большим, хотя  зародыш имеет нормальную величину. При экспериментальном получении тетраплоидных зародышей (через подавление  первого деления цитоплазматического тела яйца) их ядра содержат вдвое большее число хромосом и имеют, соответственно,  вдвое больший объем при той же массе протоплазмы, как и в нормальных диплоидных клетках. В этом случае число  клеточных делений сокращается. Получаются опять вполне нормальные зародыши с вдвое большими клетками, но с вдвое  меньшим числом клеток. С другой стороны, можно искусственно Уменьшить массу цитоплазмы — просто разделить яйцо на  части. Часть, содержащую ядро, можно оплодотворить. В этом случае Дробление заканчивается раньше нормы, но вновь именно  тогда, Когда установится нормальное соотношение между объемами яДра и цитоплазмы. Так как ядро имеет в этом случае  объем нормального диплоидного ядра, то и клетки получаются нормального размера. Однако число клеток зародыша оказывается уменьшенным соответственно уменьшенной массе яйца. Соответственно  оказывается уменьшенной и величина зародыша. Таким образом, в результате дробления в клетках зародыша всегда  устанавливается нормальное объемное соотношение между ядром (точнее, числом наборов его хромосом) и цитоплазмой.

Мы видим, что чисто количественные соотношения между ядром и цитоплазмой хорошо регулируются. Нормальные  соотношения легко восстанавливаются, а формообразование не нарушается. Однако формообразование, конечно, нарушается при  качественных изменениях в составе цитоплазмы яйца (например, при изъятии некоторых активных ее веществ) или в составе  хромосом его ядра. В некоторых случаях, однако, и чисто, казалось бы, количественные изменения в ядре вносят все же  некоторые изменения, если не прямо в формообразование, то в процессы обмена веществ, отражающиеся на жизнеспособности,  устойчивости развивающихся особей или на их плодовитости.

Так, например, гаплоиды, получаемые при искусственном партеногенезе, обычно менее жизнеспособны, чем нормальные  диплоидные особи. В особенности это касается позвоночных животных. В этом случае, однако, не следует думать, что  гаплоидный организм отличается от диплоидного всегда только по количеству хромосом. Гомологичные хромосомы никогда  не бывают вполне идентичными, в особенности у высших животных с двуполым размножением. В настоящее время этому  придается большое значение — известная степень генных различий между гомологичными хромосомами (т. е. известный  уровень гетерози-готности) оказывается существенным условием для развития вполне жизнеспособного и устойчивого  организма с высокой ре-гуляторной способностью (т. е. с совершенными гомеостатичес-кими механизмами развития).  Организмы с совершенно одинаковыми наборами хромосом оказываются менее жизнеспособными и малоустойчивыми.  Неудивительно, что и особи с одним набором хромосом мало жизнеспособны. С другой стороны, особи с увеличенным числом  наборов хромосом (полиплоиды) не только не обнаруживают особого нарушения формообразования, но у растений нередко  выделяются высокой жизнеспособностью и устойчивостью. (Это не значит, что формообразование вовсе не изменяется. Мы  знаем, что даже простое изменение массы зачатка ведет к изменению скорости дифференцировки и ее полноты. И полиплоиды  отличаются иногда своими размерами и морфологическими признаками. Кроме того, они обладают сниженной плодовитостью  вследствие нарушений в делениях созревания половых клеток.)

В то же время развитие яиц, обладающих, кроме нормального диплоидного набора, еще одной или двумя добавочными  хромосрмами,   оказывается  у  высших   животных,   как   правило, нарушенным. Формообразование идет ненормально, жизнеспособность зародыша сильно снижена. При неправильном  распределении хромосом во время дробления яиц с лишними хромосомами развитие не идет дальше бластулы. Нехватка  отдельных хромосом в большинстве случаев также летальна. Для нормального развития яйца требуется, следовательно,  наличие нормального сбалансированного набора хромосом. Только во взаимодействии такого эуплоидного ядра с  соответствующей ему цитоплазмой возможны нормальный клеточный метаболизм и нормальное формообразование,  приводящие к развитию вполне жизнеспособного и устойчивого организма.

Как велико значение ядерных структур в индивидуальном развитии, видно в особенности ясно при изменениях в строении  отдельных хромосом. Мы знаем различные типы таких изменений. Самым обычным является обмен между соответствующими  частями гомологичных хромосом (перекрест). Нередко наблюдаются перестановки и повороты частей в пределах одной  хромосомы. Такие изменения не влияют на формообразование (за немногими исключениями, когда сказываются  взаимовлияния между соседними генами—«эффект положения»). Бывает перенос части одной хромосомы на другую. Такие  преобразования также не вносят заметных нарушений в формообразование. Иногда часть хромосомы переносится на  гомологичную хромосому (без обмена). Тогда одна хромосома имеет удвоенную часть (дупликация), а у гомологичной  хромосомы этой части нет вовсе (нехватка). В потомстве таких особей могут получиться при оплодотворении такими же  сперматозоидами яйца с удвоением или с нехватками в обеих гомологичных хромосомах. Дупликации обычно не влияют на  развитие существенным образом, особенно в гетерозиготном состоянии. Однако все же их жизнеспособность бывает сниженной.  Некоторые дупликации оказываются даже летальными. В этом сказывается царушение генного баланса. Однако нехватки в  гомозиготном состоянии уже, как правило, легальны. Даже гетерозиготные нехватки связаны со снижением жизнеспособности  и часто детальны. Только очень небольшие нехватки проявляются у дрозофилы как жизнеспособные в гетерозиготном  состоянии мутации. В этом отношении они сходны с точечными, или генными мутациями. Предполагайся, что некоторые  летальные генные мутации в действительности представляют собой такие малые нехватки.

Как мы видим, нарушение грубого строения хромосом либо Не влияет на формообразование (если нормальный баланс не  Нарушен), либо резко сказывается на жизнеспособности развивающегося организма (если нарушены количественные  соотношения внутри ядра, т. е. генный баланс, и в особенности при Нехватках). Для разбираемых нами вопросов гораздо  интереснее качественные  изменения хромосом,  захватывающие  отделные гены (точечные мутации). Не нарушая баланса и не имея обычно летального влияния, они нередко заметно изменяют  клеточный метаболизм и в результате этого вносят существенные изменения в процессы формообразования.

Генные мутации в настоящее время рассматриваются как изменения в химическом строении молекулы  дезоксирибонуклеино-вой кислоты. Каждая мутация есть результат некоторой перестройки этой молекулы, состоящей в  изменении расположения пар оснований (аденин с тимином и цитозин с гуанином), хотя бы в одном только звене. В таком  случае следует ожидать, что мутации вызываются химическими агентами и выражаются, прежде всего, в изменении  клеточного метаболизма и в изменении его продуктов.

В пользу предположения о химической природе мутаций говорят очень многие факты:

1. Возможность экспериментального получения мутаций под непосредственным влиянием разнообразных химических  агентов.

2. Прямая пропорциональность мутагенного действия ионизирующей радиации применяемой дозе, т. е. числу  ионизации. Ионизация сопровождается образованием перекиси водорода, которая является мутагенным фактором.

3. Возрастание частоты спонтанных мутаций с повышением температуры соответственно (в известных пределах) закону  Вант-Гоффа для химических реакций.

4. Увеличение числа мутаций по мере пребывания спермы в семяприемниках самки (у дрозофилы) и при хранении  семян растений. Это указывает на возможное влияние нормальных метаболитов.

5. Значительное увеличение числа мутаций под влиянием

теплового шока (несомненное изменение метаболизма).

6. Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей, дающих максимальное число мутаций на волне 2600 А. На этой же  волне ультрафиолетовые лучи максимально поглощаются дезоксирибо-нуклеиновой кислотой.

7. Трансформирующее влияние измененной ДНК (от мутировавшего штамма) на нормальный генотип, установленное у  бактерий. По-видимому, это связано с прямым вхождением молекул ДНК или их обломков в состав генотипа.

Если молекула ДНК прямо или косвенно контролирует кле4 точный метаболизм, то мутация должна прежде всего выражаться  в химическом изменении его продуктов. У наиболее простых организмов — бактерий и низших грибов это как раз и выявляется  с предельной ясностью. У растений хорошо изучено наследование окрасок цветов и плодов. Мутации связаны здесь с  изменением химического строения растворенных в клеточном соке пигментов — антоцианов и антоксантинов, которые  образуются из цианидина в различных условиях окисления или восстановления. Различные каротиноиды, образующиеся в пластидах и определяющие окраску плодов, листьев и других органов  растений (от желтой до красной), также легко перестраиваются, и эти химические перестройки связаны с простыми  мутациями. Наследование количественных и качественных различий углеводов, белков, жиров и витаминов в семенах растений  обнаруживает закономерности, характерные для простых мутаций. Мутации обнаруживают и антигенные различия белков.  Внутривидовые различия в антигенах на поверхности эритроцитов крови человека, выявляющиеся в известных группах крови  (А, В, АВ и О), обусловлены серией аллеломорфных генов из трех членов. Высокая яйценоскость кур оказалась связанной с  определенным комплексом антигенов.

Пигментообразование является и у животных чисто химической реакцией и, вместе с тем, находится в прямой зависимости от  определенных генов. Однако окраска животных всегда связана и с более сложными процессами, определяющими  распределение пигментов. Последнее также контролируется генами (как мы уже видели на очень простом еще примере  аксолотля). У человека известно довольно много мутаций, связанных с изменением строения гемоглобина. Это типичные  примеры химических мутаций, проявляющихся в виде наследственных заболеваний крови. Интересны мутации  серповидноклеточной анемии негров и талассемии населения средиземноморских стран. Эти мутации в гомозиготном  состоянии детальны, а в гетерозиготном состоянии вызывают анемию. Эти мутации, несмотря на их вредность, широко  распространены в малярийных местностях. Оказывается, они связаны с устойчивостью против малярии, что и способствует их  сохранению под влиянием естественного отбора. Серповидноклеточность определяется изменением одного только гена и  выражается в образовании измененного гемоглобина, в котором одна из многих (около 300) аминокислот — глутаминовая  кислота — замещена другой — валином.

Если мутации являются результатом перестройки молекулы ДНК, то это связывается и с изменениями в зависимых от нее  структурах рибонуклеиновых кислот, а следовательно, и в составе активных белков — ферментов (которые синтезируются при  посредстве РНК). Таким образом, вполне понятно, что каждая мутация выражается в изменении клеточного метаболизма и его  продуктов. Следовательно, изменяются именно те клеточные субстанции, которые, как мы видели, определяют  формообразование и дифференцировку частей зародыша и его клеток. Изменение клеточного метаболизма связано, конечно, и с  изменением форм реагирования на различные внутренние и внешние факторы. Соответственно меняются и движения клеточных  масс и миграции отдельных клеток. При мутации мохно-Ногости у кур  скелетогенная мезенхима у заднего края лапки вместо концентрации в зачатках четвертого пальца мигрирует под эктодерму и формирует здесь под ее влиянием зачатки  перьев. При формообразовании «розовидного» гребня, развитие которого контролируется одним геном, скелетогенная  мезенхима обонятельной области мигрирует под кожу спинной части головы и концентрируется здесь.

Поперечные разрезы на уровне слезно-носового канала. Закладка розовидного гребня захватывает большую площадь покровов  и значительную массу мезенхимы. Одновременно развивается более широкая носовая перегородка. Закладка носовых костей  запаздывает. С — обонятельный мешок; I — слезно-носовой канал; m — закладка гребня; п — закладка носовых костей; sn —  носовая перегошпка что каждая мутация изменяет в той или иной мере физиологические функции организма, а также и процессы  формообразования. Первое находит свое наиболее общее выражение в сниженной жизнеспособности большинства мутаций,  особенно у животных, а второе — в изменении морфологических признаков. Так как мутационное изменение ДНК касается в  одинаковой мере всех клеток организма, то, казалось бы, и физиологические, и морфологические выражения мутаций должны  захватывать весь организм в целом и все его части. Само собой разумеется, что эти выражения должны быть именно  различными в разных частях организма, так как формообразовательные реакции клеточного материала всегда различны в  зависимости от положения, взаимосвязей и имеющейся уже дифференцировки этого материала. Известно много мутаций с  чрезвычайно многообразным выражением (плейотропия).

Так,  мутация  spineless  у дрозофилы  выражается редукцией почти всех щетинок, особенно на голове и на среднегруди. Кроме этого, антенны преобразуются в ножки, а на ногах редуцируются тарсальные членики. Другая мутация (bithorax, или  tetraptera) выражается в том, что заднегрудь приобретает строение среднегруди и вместе с тем жужжальца преобразуются в  крылья (рис. 35). Это — очень крупные, но все же локальные преобразования. Они сопровождаются и рядом менее заметных  изменений. Чем полнее изучаются многие известные мутации, тем более вскрывается многообразие их выражений. Но все же обычно мутации выражаются в изменении лишь отдельных признаков. Как это объяснить? На этот вопрос проливает свет ряд  очень интересных и важных явлений. У дрозофилы, огневки и других животных даже очень сложные выражения некоторых  мутаций могут быть воспроизведены на генетически нормальном организме при воздействии на определенных чувствительных  стадиях развития различными внешними факторами (высокими или низкими температурами, химическими агентами,  радиацией). Эти фенокопии иногда изумительно сходны с соответствующими мутациями и повторяют их многообразные  выражения. В некоторых случаях фенокопии вызываются совершенно определенным нарушением питания. Некоторые мутации  предетерми-нированы уже в строении яйца (например, нарушения сегментации брюшка у дрозофилы). В этом случае такие же  нарушения, т. е. точные фенокопии, удавалось получить при воздействии вЬ1сокими температурами на нормальный  материнский организм во   время   определенного   чувствительного   периода   роста   их яйцеклеток (овоцитов).

Воздействием повышенной температуры на разные стадии развития нормальной дрозофилы Гольдшмидт получил феноко-пии   большинства  известных  мутаций.   Можно  получить и  все выражения четырехкрылой мутации (bithorax) в фенокопии (рис. 36) при воздействии повышенной температурой (35° в  течение 4 час.) или эфиром на ранние эмбриональные стадии развития нормальных дрозофил (через 3 часа после откладки  яиц).

Получались фенокопии известных мутаций и у позвоночных животных. Наследственная хондродистрофия кур (мутация  creeper) может быть имитирована инъекцией инсулина в желточный мешок зародыша.

Ясно, что все применявшиеся внешние воздействия вызывали известные изменения метаболизма во всем организме и во всех его частях (на известной стадии развития), но все же получалось такое же дифференцированное выражение фенокопий, какое  проявляется и во внешних признаках мутаций. Это говорит в пользу того, что в основе морфологических выражений мутаций,  даже если они строго локальны, лежит изменение метаболизма во всем организме. Многообразие выражений связано с  различной дифференцировкой соответствующих частей, а локальность действия определяется совпадением «чувствительного»  периода развития данной части с временем образования известных метаболитов, которые индуцируют данное изменение. Эти  метаболиты изменяются либо вследствие действия внутреннего фактора — мутационного изменения обмена веществ, либо  вследствие действия внешнего фактора; оказывающего такое же влияние на обмен (в случае фенокопий).

Сходство между выражением мутаций и их фенокопий становится, следовательно, понятным, если принять, что каждая мутация  вызывает такое же общее изменение метаболизма во всем организме, как и внешние факторы, действующие также на весь  организм в целом.

Почему же видимое выражение мутаций (а также их фенокопий) ограничивается обычно немногими признаками? Это  объясняется в обоих случаях организацией формообразовательных систем, именно требованием совпадения времени  образования активного метаболита с чувствительным периодом образования того или иного зачатка, т. е. с периодом  компетенции реагирующей системы. Естественно, что появление известного метаболита на ранней стадии развития захватит,  очевидно, многие части в их чувствительном периоде, а позднее образование метаболита застанет почти все части в уже  сформированном виде и сможет повлиять лишь на немногие еще не законченные дифференцировки кожных образований и т. п.  Однако для полного объяснения фактов локального действия мутаций нам нужно учесть еще и историческую обоснованность  нормального развития организмов, и в этой связи нам придется далее вновь возвратиться к нашей основной теме о  регулирующих механизмах формообразования.

Пока подведем итоги нашего рассмотрения взаимодействия между ядром и плазмой. Мы видим, таким образом, что даже  самые незначительные (точечные) изменения в наследственных структурах ядра (точнее, в ДНК его хромосом) всегда  вызывают изменения клеточного метаболизма, которые могут привести к гибели зародыша (летальные мутации) или к  изменению строения организма (видимые мутации). Эти изменения всегда реализуются через посредство изменений в  активных субстанциях цитоплазмы (РНК и ферментах) и в химическом составе Метаболитов. Это связано с изменениями в  индуцирующих веществах, с изменениями в пороговых уровнях и качестве формообразовательных реакций. Вся эта цепь реакций является результатом взаимодействия между определенной цитоплазмой с ее  субстанциями, полученными от материнского организма, и комбинированным ядром с различными нарушениями его грубого  или тонкого строения.

Изучение индивидуального развития мутаций (феногенети-ка) дает наглядные доказательства кооперации ядра и цитоплазмы,  которые лишь при нормальной организации обоих компонентов обеспечивают развитие нормального строения организма и  известную степень его устойчивости против различных вредных влияний.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить