1990

Developmental Biology by Scott F. Gilbert. 1st 1985, 600pp; 2nd 1988, 776pp; 3rd 1991, 891pp; 8th 2006, 751pp, 777 illustrations.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т.: Пер. с англ. - М.: Мир, Т. 1 - 1993 г. , Т. 2 - 1994 г., Т. 3 - 1995 г.

Эпилог

Очерк некоторых нерешенных проблем

Не тебе суждено закончить работу. 
Но тебе не удастся уклониться от ее выполнения. 
РАББИ ТАРФОН (ПРИМЕРНО 70 г.)

·  Наши знания в области биологии необычайно расширились с того времени, когда проводили свои эксперименты и предлагали новые гипотезы Ру, Шабри и Вейсман. Отпраздновав, однако, столетие их работ, мы в еще большей степени, чем они, осознали огромную сложность процессов развития.

o    Когда-то Спенсер сравнил науку с находящимся в океане непознанного воздушным шаром, который продолжают надувать: чем больше становится объем шара, тем большая площадь его поверхности соприкасается с областью неизвестного. Именно на поверхности шара и происходит становление разных наук.

·  Если судить о состоянии важнейших научных проблем по учебникам, то создается впечатление, что большая часть этих проблем уже решена. Между тем интригующая сторона современной биологии развития как раз и заключается в том, что наиболее интересные проблемы еще ждут своего решения. Более того, не существует какого-то одного конкретного пути их решения.

o    Замечательная особенность биологии развития заключается в том, что при изучении ее проблем можно не ограничиваться каким-то одним набором видов животных, условий окружающей среды или уровней организации. Для их изучения можно использовать методы морфологии, молекулярной, клеточной и эволюционной биологии; объектом исследования может быть любой организм, обитающий на Земле.

o    Ниже представлен лишь небольшой перечень важнейших вопросов, сгруппированных в соответствии с тремя частями книги, и заслуживающих того, чтобы уделить их рассмотрению свое время и силы.

 

Часть I

·  Не многие аспекты биологии развития подверглись столь кардинальным изменениям, как изучение оплодотворения; здесь возникли совершенно новые направления исследований.

o    Содержит ли плазматическая мембрана яйца рецептор для спермия?

o    Каковы молекулярные механизмы слияния спермия и яйцеклетки?

o    Почему разные ионные каналы открываются в нужное время?

o    Как кальций высвобождается из мембранных пузырьков и как он индуцирует слияние мембран?

o    Какова механика миграции пронуклеусов?

o    Как осуществляется капацитация спермия млекопитающих?

o    Чем объясняются различия между мужским и женским пронуклеусами у млекопитающих и как возникают эти различия?

·  Объяснить полностью механизмы дробления также пока не удается;

o    мы до сих пор не понимаем процессов, ответственных за положение и угол наклона митотического веретена.

o    Неизвестен и временной механизм клеточного деления, а

o    изучение координации между синтезом ДНК, кариокинезом, синтезом мембраны, цитокинезом и цитоскелетом еще только началось.

o    Переход на стадию средней бластулы (midblastula transition), по-видимому, контролируется удлинением клеточного цикла, но

o    мы не знаем, какой фактор (или факторы) регулирует изменчивость продолжительности интерфазы между митозами.

·  Координация гаструляционных движений на молекулярном уровне пока непонятна ни у одного организма,

o     неизвестна и связь между клеточными делениями, гаструляцией и экспрессией генов.

o    Механизмы направленного движения клеток во многом остаются тайной.

o    Не разгаданы и механизмы, посредством которых эктодермальные клетки получают инструкции, побуждающие превратиться их либо в эпителиальные, либо в нервные.

o    Проблемы развития мозга или нервной системы составляют отдельную дисциплину - нейробиологию развития, в сферу компетенции которой входят следующие вопросы:

§       каким образом нейроны мигрируют в специфические области коры головного мозга;

§       почему нейроны с одними клетками образуют синапсы, а с другими - нет.

·  Мы обсудили некоторые механизмы формирования сердца, но многие вопросы в этой области до сих пор еще остаются без ответа.

o    Если сердце формируется на средней линии зародыша, то как оно перемещается на одну сторону тела?

o    Как крупные кровеносные сосуды, отходящие от сердца, соединяются с капиллярами, образующимися в органах?

o    Каковы механизмы, определяющие дифференцировку мезодермы?

o    Не изучены и эволюционные аспекты многих процессов развития.

o    Например, как возникает хорда и каковы ее изначальные функции?

o    Недавно Беррил (Berrill, 1987) завершил 50-летнюю работу над этой проблемой, предложив гипотезы, касающиеся биомеханики и экологии низших хордовых.

·    Другой эволюционный аспект связан с происхождением плаценты.

o         Один из подходов к решению этой проблемы (Renfree, 1982) заключается в изучении внезародышевых оболочек сумчатых и однопроходных, таких, как утконос. (Это яйцекладущее млекопитающее с носом, похожим на утиный, считалось «грубой австралийской мистификацией» до 1884 г., когда Колдуэлл (Caldwell) телеграфировал в Британское общество: «Однопроходное яйцекладущее, яйцо меробластическое».) Способы развития плаценты и ее функции только начинают проясняться.

 

Часть II

·  Как и в большинстве учебников, содержащих разделы по молекулярной биологии, в соответствующих главах этой книги представлены, прежде всего, успехи, достигнутые в этой области. И это нетрудно сделать, потому что и достижения молекулярной биологии, и энтузиазм молекулярных биологов достойны восхищения. Однако было бы ошибкой полагать, что молекулярный анализ процессов развития в основном завершен.

o    Молекулярным биологам еще предстоит решить сложные проблемы дифференцировки и морфогенеза.

o    Один из моих друзей однажды начал свою лекцию так: «Уотсон и Крик выполнили наиболее легкую часть задачи - разрешили проблему передачи генов. Более сложная проблема - экспрессия генов - остается нерешенной».

·  Молекулярный анализ развития сфокусирован главным образом на терминальных этапах дифференцировки.

o    Так, нам уже известны цис- и транс-регуляторные элементы для небольшого числа продуктов дифференцированных клеток. Но эти белки (например, иммуноглобулины, глобины, вителлогенины) образуются на последних стадиях долгого пути развития и являются в той же мере следствием дифференцировки, в какой и ее причиной. Мы знаем, что гены легкой цепи иммуноглобулинов в В-лимфоцитах активируются специфическими транс-регуляторными белками, связывающимися с промотором и энхансером.

o    Но мы не имеем ни малейшего представления о том, чем активируются эти регуляторные гены.

o    Яйцо и В-лимфоцит отделяют друг от друга многие поколения клеток, перед которыми по ходу развития неоднократно вставала задача решающего выбора (внутренняя клеточная масса, а не трофобласт; гемангиобласт кровяного островка, а не фибробласт: предшественник лимфоцита, а не предшественник клеток крови; В-клетка, а не Т-клетка), и молекулярная основа этих событий почти полностью неизвестна.

·  Кроме того, нам до сих пор не понятны молекулярные механизмы детерминации и индукции. И если мы знаем, что у оболочников желтый серп играет важную роль в инструктировании бластомеров к дифференцировке в мышечные клетки, то

o    ни химическая природа детерминанта, ни то, как он взаимодействует с геном, нам неизвестны.

o    Возможность клонировать гены и выявлять их продукты открыла пути для поиска цитоплазматических детерминантов. Наиболее удобными организмами для генетического анализа процессов детерминации оказались дрозофила и крошечная нематода Caenorhabditis elegans.

o    В обоих случаях, чтобы добиться каких-либо успехов в поисках генов, ответственных за детерминацию судьбы клеток, молекулярные биологи объединяются с биологами развития (а иногда ими становятся).

o    Несомненно, упомянутые организмы в ближайшие годы будут использоваться для конструирования путей развития, на которых будет прослежена экспрессия генов от зиготы до формирования сложных органов.

o    Обнаружив, что можно изменить судьбу клетки с помощью дифференциального процессинга РНК, исследователи создали новую область науки.

·  Однако в развитии этих двух видов индукционные взаимодействия играют лишь весьма незначительную роль.

o    А между тем в 1987 г. были опубликованы две работы, авторы которых - Ф. X. Уилт и Дж. Б. Гердон - призвали к изучению сложных, но эмбриологически так много значащих проблем, связанных с индукционными взаимодействиями.

o    В обеих статьях утверждалось, что молекулярная биология достигла возраста, достаточно зрелого для того, чтобы приступить к решению действительно сложных проблем эмбриологии.

o    Нет сомнения в том, что многие нерешенные молекулярные проблемы останутся для следующего поколения биологов развития.

·  Молекулярная биология потенциально способна объяснить многие явления, происходящие в процессе развития, однако существуют такие аспекты развития, которые непосредственно геномом не контролируются.

o    Не всегда можно предсказать фенотип организма, исходя из его генотипа или генотипа его родителей. Как уже обсуждалось ранее,

o    дифференцировка плазматических клеток направляется антигенами, присутствующими в их микроокружении;

o    детерминация пола у рептилий контролируется температурой, а

o    нервные связи могут быть усилены или отменены в зависимости от использования или неиспользования нейронов. 

o    У  книдарий геном может дать либо гидрант, либо медузу.

o    В этих ситуациях гены обеспечивают возможный набор фенотипов (называемый нормой реакции), а условия среды вызывают реализацию одной из возможностей.

o    Механизмы взаимодействия условий среды с наследственным потенциалом особи – еще одна область, требующая новых исследований.

 

Дополнительные сведения и гипотезы. Молекулярная биология и эмбриология

·    Одна из наиболее сильных и замечательных сторон биологии развития - это свобода выбора.

o         Полноправным биологом развития может считать себя и тот, кто занимается переносом мышиных глобиновых генов в культивируемые клетки, и тот, кто изучает оседание личинок моллюсков в эстуарии.

o         На первом заседании Симпозиума по росту (позже ставшим Обществом биологии развития) Н.Дж. Беррил перечислил 15 дисциплин, каждая из которых вносит свой вклад в обсуждаемые на Симпозиуме проблемы развития.

o         В последние годы этот список пополнился новыми дисциплинами, и среди них - иммунология, онкология и молекулярная биология.

·  Ясно, что биология развития представляет собой продукт синтеза целого ряда дисциплин, однако традиционно она основывается на данных эмбриологии.

o    Именно эмбриология определила основные проблемы биологии развития и в значительной степени методологию исследователей. В последние годы, однако, молекулярная биология несколько потеснила ведущее положение эмбриологии, послужив источником противоречий внутри биологии развития.

o    Многие биологи развития опасаются подмены эмбриологии молекулярной биологией не из-за результатов применения молекулярно-биологических методов, а по причине радикальных отличий методологии молекулярной биологии от методологии эмбриологии.

o    В самом деле, противостояние эмбриологии и молекулярной биологии сравнимо с противостоянием натурализма и абстрактного формализма. Различие между ними легко увидеть, представив себе скульптуру Микеланджело рядом со скульптурой Бранкузи.

·  Абстрактный формализм (подобный тому, который мы наблюдаем в современном искусстве) старается проникнуть во внутреннюю сущность явлений, пытаясь выявить скрытую реальность, «более реальную, чем сама реальность».

o    Молекулярная биология рассматривает организм как результат проявления его генов, сводя всю эмбриологию к изучению дифференциальной экспрессии генов.

o    Точно так же, как художник-абстракционист может изобразить стол в виде линии, не заботясь о том. какой он - из дуба, пластика или металла, красный или белый, -

o    молекулярные биологи исторически игнорируют видовые различия, пытаясь найти скрытую общность живых организмов.

o    Эстетический пафос молекулярной биологии простота и единообразие.

o    Все организмы рассматриваются как кибернетические системы, генетический код которых содержит программу, определяющую поток информации к тем или иным клеткам.

o    Все клетки пользуются одинаковым кодом и преобразуют закодированную информацию с помощью одинаковых расшифровывающих механизмов (Оуаmа. 1985; Каyе, 1986).

·  Этот редукционистский формализм находится в явном противоречии с натуралистическим органицизмом эмбриологической традиции.

o    Эмбриология взывает к чувствам. Во главу угла она по традиции ставит сложность организмов и их индивидуальные особенности.

o    И экспериментальной, и описательной эмбриологии свойствен сенсуалистический подход к явлениям развития; эмбриологи неустанно подчеркивают важность организма как целого и среды его обитания.

o    И если усилия молекулярных биологов сосредоточены на анализе генов, манипулировать которыми можно и вне организма, то

o    эмбриологи подчеркивают, что «организм в его целостности так же необходим для понимания отдельных его элементов, как и элементы - для понимания целостности организма» (Haraway, 1976).

o    В соответствии с эстетикой эмбриологии организм воспринимается в его развивающейся целостности, как источник удивления и вдохновления на дальнейшие исследования.

o    Так, Гольтфретер (Holtfreter, 1968) говорил, что по мере его наблюдений над развивающимся зародышем амфибий он «все больше приближается к пониманию внутренней гармонии, интеграции, исполненности смысла и взаимозависимости структур и функций».

o    Для него, как и для его коллеги Виктора Гамбургера, «истинным учителем всегда был и остается зародыш»

·  Эти различия в перспективе ярко проявились на одном из последних семинаров, когда докладчик заметил, что

o    гомеозисные мутации, наблюдаемые у дрозофилы, не встречаются у млекопитающих.

o    Эмбриолог ответил, что конечности дрозофилы формируются в результате выворачивания имагинальных дисков, а конечности млекопитающих – в результате взаимодействий между мезодермой и апикальным эктодермальным гребнем, следовательно нет оснований для поисков у млекопитающих мутаций, подобных мутации Bithorax.

o    Молекулярный биолог возразил, что этот аргумент рассыпается в прах перед результатами 30-летних исследований, показавших, что фундаментальные генетические механизмы у всех организмов одинаковы.

·  Между молекулярной биологией и эмбриологией существует целый ряд взаимодействий.

o    Биологию развития чрезвычайно обогатили открытия в области молекулярной биологии, а будущее сулит ей еще большие выгоды.

o    В свою очередь молекулярная биология во многом изменилась, встретившись со сложностью зародыша.

o    Теперь уже невозможно согласиться с господствовавшей ранее в молекулярной биологии точкой зрения, в соответствии с которой считалось, что молекулярная биология уже решила все основные проблемы биологии и молекулярный анализ эмбриогенеза - это всего-навсего правильное приложение существующих знаний.

o    Биология развития многое приобрела в результате взаимодействия этих двух дисциплин.

o    Биология развития больше не является ни частью молекулярной биологии, ни продолжением эмбриологии. Поэтому при распределении фондов и ресурсов следует обеспечивать условия, при которых ни одна из этих дисциплин не развивалась бы за счет другой.

·    Различия между традициями эмбриологии и молекулярной биологии можно проследить исторически вплоть до противоречий между Аристотелем и Платоном.

o         Еще Риттер (Ritter, 19I9) утверждал, что некоторые из фундаментальных противоречий биологии колеблются между абстрактным формализмом и органицизмом.

o         Пока мы не сможем их разрешить, биология развития, которая помимо всего прочего изучает любую часть любого организма как функцию времени, должна включать оба направления.

 

Часть III

·  Одна из важнейших задач биологии развития – перевод рабочих дефиниций в действительные вещества и процессы.

o    Такими рабочими дефинициями, ждущими своего воплощения в реальные физические сущности, изобилует область морфогенеза.

o    Например, что такое «поле»? Можно экспериментальным путем убедиться в его существовании, но как у организма образуется поле, и каким образом решается вопрос о том, какие клетки будут входить в его состав, а какие – нет?

o    Изучение щелевых контактов, молекул клеточной адгезии и гомеозисных генов может объяснить, как возможность формирования глаза, конечности или челюсти передается от генома к полю и, наконец, реализуется организмом.

·  Точно так же существуют многочисленные явления, объяснить которые можно было бы наличием градиента некоего вещества.

o    В большинстве случаев такие вещества не обнаружены.

o    Выделению соответствующих молекул могло бы способствовать применение иммунологических методов.

o    Кроме того, механизмы дифференциального ответа клеток на разные концентрации морфогена все еще неизвестны.

o    Каким образом осуществляется инструктирование клеток к синтезу различных продуктов в зависимости от этой концентрации?

·  Одна из основных составляющих морфогенеза – направленность и число клеточных делений.

o    Что заставляет клетку сделать определенное число делений и не больше?

o    Что инструктирует клетку к выбору направления клеточных делении?

o    В предыдущих главах обсуждалось несколько моделей 

§       клеточной миграции,

§       клеточной адгезии,

§       сегментации и

§       метаморфоза.

o    Большая часть этих моделей не была подтверждена на молекулярном или клеточном уровнях.

o    Мы до сих пор не можем заполнить огромный пробел в наших знаниях, касающийся связи между экспрессией генов и формированием органов.

·  Одна из наиболее увлекательных областей исследования касается путей, на которых эволюционные изменения определяются закономерностями онтогенеза.

o    Если знания генетических законов достаточно для объяснения микроэволюционных изменений (на уровне вида и ниже), то

o    анализ макроэволюционных процессов (надвидовой уровень) требует знаний законов развития.

o    Эти законы (если бы они были известны) могли бы показать нам, к каким изменениям могут привести тканевые взаимодействия того или иного типа.

o    Эйнштейн заметил когда-то, что его работы были направлены на то, чтобы определить, был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной.

o    Современные эволюционные биологи задаются аналогичным вопросом: были ли животные, сформированные в течение прошедших миллиардов лет, единственно возможными животными в соответствии с законами морфогенеза?

o    Специалисты в области эволюционного учения ждут от биологии развития свода правил, которые позволили бы предсказать возможные эволюционные трансформации данных структур и отношений (Wake, Larson, 1987).

o    Эти законы развития предстоит еще открыть.

·   Генетик и эмбриолог Уоддингтон (Waddington, 1962), обсуждая проблемы генетики и морфогенеза, писал:

o    «Генетика  сделала   прорыв... Но   следующий прорыв, который нужен нам для понимания фундаментальных биологических процессов, – это прорыв в области эмбриологии. Будем надеяться, что он произойдет в скором времени»

·  Быть биологом развития – это значит всегда продолжать учиться. Необходимо сохранять это состояние академической неотении в научной отрасли, способной дать столь обширные фундаментальные знания.

 

ЛИТЕРАТУРА

·  Веrrill N.J. (1939). Forward Growth Suppl. 1, i-ii.

·  Berrill N. J. (1987) Early chordate evolution. I. Amphioxus, the riddle of the sands. II. Amphioxus and ascidianv To settle or not to settle. Inter. J. Invert. Rep. Dev. II, 1–27.

·  Gurdon J.B. (1987). Embryonic induction – Molecular prospects. Development. 99, 285-306.

·  Haraway D.J. (1976) Crystals. Fabrics and Fields: Metaphors of  Organicism in Twentieth-Century Developmental Biology. Yale University Press, New Haven.

·  Holtfreter J. (1968). Address in honor of Victor Hamburger. In M. Locke (ed.), I. The Emergense of Order in Developing Systems, Academic, New York, pp. ix - xx.

·  KayeH.L. (1986). The Social Meaning of Modem Biology. Yale University. Press, New Haven.

·  Oyama S. (1985). The Ontogeny of Information. Cambridge University Press, Cambridge.

·  Renfree M. B. (1982). Implantation and placentation. In С. R. Austin and R. V. Short, Reproduction in Mammals 2: Embryonic and Fetal Development. Cambridge University Press, Cambridge, pp. 26-99.

·  Ritter W. E. (1919). The Unity of the Organism. Gorham Press, Boston.

·  Waddington С. H. (1962). New Patterns in Genetics and Development. Columbia University Press, New York, p. 241.

·  Wake D. В., Larson A. (1987). Multidimentional analysis of an evolving lineage. Science, 238, 42 48.

·  Wilt F.H. (1987). Determination and morphogenesis in the sea urchin embryo. Development, 100, 559-575.

 


1st 1985 Developmental Biology by Scott F. Gilbert Pub. Date: April 1985, 600pp

2nd 1988 Developmental Biology by Scott F. Gilbert. Pub. Date: April 1988, 776pp

3rd 1991 Developmental Biology by Scott F. Gilbert. Sinauer Associates Inc. May 1991 April 1991. 891pp

8th 2006 Developmental biology : Scott F. Gilbert. Sinauer Associates, Inc. Publishers, 2006, 751pp, 777 illustrations

 

 

Comments