Развитие организма

Развитие нового организма, полученного половым путем, начи­на­ет­ся от оплодотворенной яйцеклетки – зиготы и заканчивается смертью. При клонировании животных в целом выдержи­ва­ется та же схема онтогенеза, с той лишь разницей, что зигота имеет подсаженное диплоидное ядро от одного родителя.

Между прочим, биологическое индивидуальное развитие происходит по общим диалектическим законам, которые одинаково действуют как в живой, так и в неживой природе, и даже в общес­тве. (Диалектика как философское течение исходит из того, что природа, сознание, общество представляют системные явления и находятся в постоянном развитии.) Чтобы убедиться в этом, сопоставим стадии “развития вообще”, заимствованные нами из философского словаря, и стадии нормального онтогенеза многокле­точного организма, например человека (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Стадии индивидуального развития

Стадии “развития вообще”	Стадии онтогенеза человека
Подготовка предпосылок разви­тия – внешнее движение, совер­ша­емое пока что за пределами дан­ной системы	Предзародышевое развитие – образование половых клеток (гаметогенез), формирование окружающей среды будущего организма
Возникновение – переход к внутрен­нему движению и возникновение системы	Оплодотворение – слияние половых клеток, возникновение новой клетки – зиготы
Формирование – преобразование новым процессом развития тех условий, из которых он возник	Зародышевое развитие – эмбриогенез, построение принципиально новой многоклеточной системы
Собственно развитие – зрелость процесса развития, его существо­ва­ние на своей основе	Послезародышевое развитие – постэмбриоге­нез: период роста (0–20 лет), репродуктивный период (20–50 лет), период старения (после 50 лет)
Умирание – разрушение процесса развития	Смерть – конец индивидуального развития, распад живой структуры

Индивидуальное развитие систем, в том числе организмов, происхо­дит циклично, так что восходящее развитие всякий раз сменяется нисходящим. Восходящее развитие идет от простого к сложному (от гамет к организму), нисходящее – от сложного к прос­тому (от организма к бесклеточной мертвой материи). Законы диалек­тики утверждают, что развитие как конечный процесс с самого начала в скрытом виде содержит тенденции, ведущие от низшего к высшему и обратно. То есть развитие имеет векторный, направленный характер.

Чем же задается этот вектор? Чем детерминировано (предопреде­ле­но) индивидуальное развитие? Где программа развития и как она реа­лизуется? Поставленные вопро­сы составляют основной смысл науки эмбриологии и имеют также практи­ческое медико-биологическое значение, так как нарушение процессов развития приводит если не к смерти, то к уродствам, болезням и сокращает сроки полноценной жизни человека (как, впрочем, и других организмов).

Напомним неоднократно уже обозначенную идею о том, что развитие определяется генетической программой организма, эпигенетическими факторами организма и среды, а также процессами самоорганизации биологических структур. Най­дем эти начала в развивающемся организме.

(1) Генетическая программа развития

Генетическая программа развития заложена в хромосомах зиготы, а точнее - в ДНК, т.е. в генах. Это – генотип организма. Причем в ходе размножения кле­ток хромосомная ДНК каждый раз удваивается и делится поровну, так что все делящиеся клетки получают полный набор генов.

Существуют гены двух клас­сов: структурные и регуляторные. Первые отвечают за синтез белков, обеспечивающих построе­ние рабочих структур клеток и межклеточного вещества. Вторые регулируют активность первых, то есть гены-регу­ляторы производят регуляторные белки, которые влияют на активность структурных генов. Активность конкретного структурного гена в результате воздействия на него нескольких регуляторных белков может быть усилена или, напротив, ослаблена. Сейчас установлено, что и среди регу­ля­торных генов есть взаимозависимость, иерархия управления: одни гены отвечают за активность других, эти вторые за работу третьих и т.д. Таким образом, гены образуют функциональные цепи или каскады с заранее предопределенной последовательностью включения.

Может создаться впечатление, что вся генетическая программа реализуется по принципу до­мино: благодаря слаженной работе генных конвейеров жестко контро­лируются все шаги морфогенеза, развитие имеет детерминированный, однозначно направленный характер. Однако организм – очень сложная система, чтобы его развитие целиком было подчинено простому алгоритму домино. Реально каскад генетического управления представляет не единую цепь, а сложную сеть генных активностей. Это означает, что отдельные процессы, организующие локальные морфогенетические события, происходят относительно независимо, часто параллельно друг другу, и в то же время они взаимосвязаны, так как продукты деятельности одной генной цепи оказывают регулирующее влияние на работу другой цепи. Такое положение создает предпосылки для манипуляций процессом развития. Случайные или индуцированные (наведенные извне) изменения в работе одной цепи приведут к изменениям в другой, и вся сеть регуляции поведет себя иначе. И всё же, при отсутствии грубых нарушений, сетевое генное управление развитием имеет общий вектор, так что из куриного яйца получается цыпленок, а из лягушачьего – головастик и за ним лягушонок. Сейчас ученые значительно приблизились к пониманию этих сложных интегративных механизмов, однако их анализ потребует более глубоких знаний.

В проблеме генетической регуляции развития существует неразрешенный пока вопрос. Дело в том, что ДНК, кодирующая разнообразные белки организма, т.е. собственно генная ДНК, составляет лишь небольшую часть от суммарной ДНК генома. У человека это не более 5%! Основная же масса ДНК, так называемая сателлитная (сопутствующая) ДНК, присутствует неизвестно для чего; неслучайно к ней пристало не вполне научное понятие “ДНКовый мусор”. Однако, по мнению ряда ученых, именно сателлитная ДНК играет основную роль в организации дифференцировки клеток и развития организма, тогда как генная ДНК производит лишь строительный материал – белки. Идея основана на том, что молекулы ДНК представляют собой жидкие кристаллы, которые генерируют электромагнитное излучение. Таким образом, вокруг хромосом (а ДНК составляет их основу) создается электромагнитное поле, своеобразная голограмма, которая якобы и направляет активацию нужных генов в нужное время. Идея не лишена логики, но экспериментально не подтверждена. Фактически она повторяет старую неоправдавшуюся гипотезу о существовании в зародыше особых физических полей, управляющих развитием. Так что в современной биологии основное внимание сконцентрировано на взаимодействии генов в развитии, хотя и роль сателлитных ДНК также интенсивно изучается.

Но неужели избирательное включение и выключение многочисленных генных активностей есть функция самой генетической сети? Как согласуется специализация миллиардов клеток в разных тканях и органах? А что является самой первой командой к дифференцировке клеток при делении зиготы? Нет ли в этом оркестре дирижера? В общем, мы уже знаем, что есть целая система внешнего управления.

(2) Эпигенетические факторы развития

Итак, реализацию генетической программы развития на­прав­ляют и контролируют внешние, эпигенетические факторы. Сюда относятся не только факторы внешней среды, но также влияние одних клеток на другие и различные воздействия организма как целого на генетический аппарат отдельных клеток.

Факторы внешней среды, такие как тепло, могут действовать непосредственно на генетический аппарат клеток, например при развитии волосяного покрова у млекопитающих животных или при выработке пигментов в лепестках у цветковых растений.

Чаще избирательная активация и подавление генов в отдельно взятых клетках происходят под контролем организма, с помощью разнообразных биологически активных веществ. Установлено, что в онтогенезе работают, сменяя друг друга, три системы регуляции развития: позиционная информация, заложенная уже в яйце, взаимное влияние (индукция) зачатков в эмбрионе и нейро-гуморальная регуляция в сформированном организме.

Во-первых, существует позиционная (пространственная) информация, заложенная уже в яйце. В процессе роста яйцеклетки в ее цитоплазме неравномерно откладываются различные РНК и белки-регуляторы, которые предопределяют план строения организма – двустороннюю симметрию, передне-заднюю ось и т.п. (рис. 4.7, А). В ходе дробления зиготы разные регуляторы оказываются в разных клетках, что и приводит к их детерминации (рис. 4.7, Б).

Во-вторых, в развивающемся организме имеет место индукция – влияние одних зачатков на другие с помощью выделяемых клетками активных веществ. Например, закладка нервной трубки (зачатка центральной нервной системы) происходит под действием индукторов из клеток нижележащего зачатка хорды (рис. 4.7, В). Сам хордовый зачаток еще раньше индуцируется клетками более ранних зачатков. В ходе всего эмбриогенеза происходят многочисленные индукционные взаимодействия зачатков, обозначая места и последовательность их закладки и дальнейшего развития.

Наконец, в-третьих, в новорожденном организме устанавливается нейрогуморальная регуляция дефинитивного (окончательного) типа, осуществля­емая нервной системой и железами внутренней секреции. Нервные импульсы и гормоны являются важнейшими средствами сигнализации в многоклеточном животном организме. С их участием регулируется не только функциональная активность уже сформированных органов, но также их рост и регенерация. Подчеркнем, что гормоны вырабатываются эндокринными железами под контролем нервной системы, а нервная система, в свою очередь, через органы чувств находится под воздействием внешней среды. Таким образом, смыкаются два уровня эпигенетической регуляции развития – регуляция факторами внешней среды и самого организма.

Рис. 4.7. Эмбриональная детерминация (А, Б) и индукция (В) развития

(3) Процессы самоорганизации в индивидуальном развитии

Дополнением к генетическому и эпигенетическому управлению, и в какой-то степени их продолжением, выступают процессы самоорганизации биологических структур, происходящие по общим законам синергетики.

Напомним (см. 4.1 (3)), что самоорганизующиеся процессы не требуют непосредственного участия каких-либо информационных (программных) факторов. Согласно законам синергетики сложные упорядоченные структуры возникают в результате самопроизвольного взаимодействия и согласованного (когерентного) поведения простых элементов. Случайные малые отклонения или колебания частиц (флуктуации) в изначально однородном множестве складываются в первичные центры самоорганизации, к которым тяготеют остальные элементы. Непременным условием, движущей силой самоорганизационных процессов является поглощение и диссипация внешней энергии. Мы уже приводили примеры того, как по законам самоорганизации возникает упорядоченность в неживой природе. К ним можно добавить морозные узоры на стекле, изумительные по красоте рисунки горных минералов, песчаные “волны” на дне моря или в пустыне, перистые облака на небе и многое другое.

В биологии развития синергетика делает первые шаги, но уже то, что известно о проявлениях самоорганизации в развитии организмов, впечатляет (Исаева, 2005). Оказалось, что управление эмбриональным развитием с помощью химических индукторов, о котором говорилось выше, обычно продолжается в виде самоорганизации упорядоченных локальных структур, таких как зачатки перьев у птиц или чешуйки у бабочек. Развитие многих органов (стебли и листья растений, трахеи, бронхи и кровеносные сосуды у животных) сопровождается множественной дихотомией растущего зачатка (греч. dichotomia – деление на два, раздвоение). Причем эти структуры обычно имеют внутреннее самоподобие – такой рисунок ветвления, в котором каждый последующий шаг подобен предыдущему, т.е. элементы повторяют в миниатюре строение всей системы.

Оказывается, что самоподобные структуры, аналогичные природным объектам, хорошо известны в современной математике как фракталы (Мандельброт, 2002). Они возникают (в виде графических изображений) при решении так называемых нелинейных уравнений, в которых при определенных значениях аргумента функция вдруг приобретает два решения, резко отклоняясь от первоначальной линейности (рис. 4.8, А). Это и есть та бифуркация, или элементарная катастрофа, которая лежит в основе всех процессов самоорганизации. Многие фракталы прекрасно моделируют сложные биологические структуры (рис. 4.8, Б – Е), что и является лучшей иллюстрацией самоорганизационных процессов в биологическом морфогенезе.

Рис. 4.8. Фрактально-геометрические структуры, имитирующие биологическую самоорганизацию:

А – последовательные бифуркации как основа фракталогенеза; Б – фрактальный лишайник, пигментная клетка лягушки и т.п.; В – псилофитовые растения (риния и др.); Г – папоротник; Д – асимметричное дерево, пищеварительная железа улитки и т.п.; Е – бронхиальное древо человека (компьютерные модели Малинецкого, Исаевой, Кроновера, Мандельброта; по: Исаева, 2005)

Теория и практика моделирования живых объектов показывают, что эмбриональное развитие в соответствии с математической теорией представляет каскад бифуркаций, или катастроф, которые раз за разом нарушают и перестраивают изначальную симметрию (однородность) развивающейся системы (биохимическую, генетическую, морфологическую). Бифуркации-катастрофы, хоть и подготавливаются предшествующей работой генов, но непосредственно ими не вызываются. Таким образом, дихотомический морфогенез – настоящий самоорганизационный процесс, совершаемый однотипно во многих неродственных организмах.

Возникает вопрос: насколько автономны процессы самоорганизации и не являются ли они главными организаторами развития? Исходим из того, что самоорганизация системы зависит от свойств элементов и воздействий среды, хотя бы от поступления энергии. Да, действительно, непосредственного программного управления процессы самоорганизации не требуют (в этом их основная специфика), но косвенно они используют как генетическую, так и эпигенетическую информацию развивающегося организма. Можно сказать, мы имеем дело с наведенной самоорганизацией.

(4) Порядок и хаос в развитии

Таким образом, подводя итог, приходится говорить о триединстве законов генетики, синергетики и эпигенетики в индивидуальном развитии организмов:

эпигенетика

(внешнее управление)

/ \

генетика – синергетика

(наследственная информация) (элементарная самоорганизация).

В этом «треугольнике влияний» наиболее устойчиво и в то же время достаточно гибко контролируется процесс индивидуального развития. Так возникает морфогенетический порядок. Однако картина будет неполной, если не учитывать, что на ход развития влияет случайная изменчивость элементарных морфогенетических процессов, независимо от того, имеют они генетическую, эпигенетическую или синергетическую основу. Это – спонтанные, возникающие по ходу развития мутации генов, искажающие их функции (так возникают опухоли, уродства и нарушения физиологии организма). Это – случайные колебания факторов внешней среды, также влияющие на работу генов, модифицирующие силу генных активностей. Это, наконец, случайные хаотические флуктуации элементов (молекул, клеток и др.), составляющие первооснову процессов самоорганизации. Таким образом, порядок в развитии дополняется некоторым хаосом, что позволяет характеризовать живую структуру как “организованный хаос” (Исаева, 2005). Наличие в биологических морфогенезах элементов хаоса, нестабильности, как в построении структур, так и в течении биохимических реакций, создает еще большую гибкость структур и процессов, возможность адаптивных новообразований в ходе индивидуального развития.

* * *

Сравнивая и взвешивая факторы развития, нужно признать, что генетические (программные) и синергетические (самоорганизационные) механизмы чем-то ближе друг к другу, нежели к эпигенетическим факторам. Они представляют исходные, более простые, определенные и предсказуемые механизмы. В каком-то смысле самоорганизация возникает как продолжение генетических процессов. Напротив, эпигенетические механизмы представляются внешними и независимыми и интуитивно воспринимаются как “руководящие”, а в чем-то и “угрожающие” нормальному развитию. Если генетическая программа – партитура, тогда оркестр – самоорганизующийся исполнительный механизм, а эпигенетическое управление осуществляет дирижер, от таланта и личных достоинств которого сильно зависит качество звучащей музыки. Поэтому в заключение темы – несколько слов “во славу” эпигенеза.

Действительно, окружающая среда по отношению к развивающемуся орга­низму включает цепь управляющих факторов. Например, в судьбе человека это фак­торы собственно внешней среды (свет, тепло, другие природные явле­ния, количество и качество пищи), социальное окружение, образование, вос­пи­тательные меры, трудовая деятельность, ритм жизни общества. В этом же ряду стоят все окружающие нас живые организмы, в том числе паразиты, микробы, вирусы.

В результате организмы могут иметь разную скорость роста, разную продолжительность жизни, разную интенсивность синтеза белков и, следовательно, разное проявление всех жизненных функций. Даже у однояйцевых близнецов, с абсолютно одинаковым генотипом, со временем выявляются фенотипические различия (рост, мышечная сила, структура кожи, интеллект, трудовые навыки и др.), если они выросли в разных условиях, допустим, в городе и деревне. Конечно, запрограммировать определенное сочета­ние эпигенетических факторов практически невозможно, их комбина­ция складывается для каждого организма индивидуально и в значитель­ной степени случайно. И все же в той или иной степени эпиге­нети­чес­кое управление вполне реально. Мы делаем это в сельскохозяйственной практике, регулируя питание животных и растений, подбирая опти­маль­ные условия развития, прививая черенки одних деревьев в крону других. Но и сам человек развивается по тем же законам, поэтому мы и добиваемся некоторых программных установок в разви­тии личности с помощью воспитания, образования и других социальных мероприятий.

Думается, что каждый сумеет сделать выводы и в отношении своего собственного организма и развития (это никогда не поздно), а также развития своих будущих детей. Внешнее управление развитием закладывается уже в яйцеклетке, еще даже не созревшей и не оплодотворенной. Нарушение этой закладки в результате болезней, неправильного питания, табакокурения, употребления алкоголя, токсических веществ, лекарств и т.п. чревато развитием у заро­дыша уродств, врожденных заболеваний, а то и полным беспло­дием потенциальных родителей. У мужчин названные факторы приводят к потере подвижности сперматозоидов (одна из наиболее распространенных причин бесплодия), нарушению их производства или повреждениям ДНК (мутациям), которые неми­ну­е­мо передадутся клеткам ребенка. Важное полезное заключение касается также роли воспитания и обучения в раз­витии личности. Врожденные (генотипические) интеллектуальные способности, художественные наклонности и физические задатки, обусловленные определенными генами, не проявятся в полной мере, если эти гены не будут востребованы постоянной нагрузкой в процессах тренировки, воспитания, обучения, художественной и трудовой деятельности (подробнее в главе 7).

Таким образом, каждому необходимо усвоить, что в фенотипе никогда не реализуются все генетические возможности, или: в конкретных условиях развивается конкретный фенотип. Старый философ сказал бы, что развитием движет един­ство и борьба противоположностей. Сегодня мы более склонны говорить о триединстве и гармонии законов генетики, синергетики и эпигенетики в индивидуальном развитии организмов.