Сравнительная анатомия и эмбриология как науки зарождались уже в древнем мире. Еще Аристотель в IV веке до н.э. изучал и сравнивал строение разных животных (более 500 видов) и располагал все организмы по восходящему ряду, который натуралисты XVIII века назвали «лестницей живых существ». И Аристотель, изучив строение куриного эмбриона, заметил, что общие черты организации выявляются раньше специальных и таким образом предвосхитил закон К. Бэра. Основатель сравнительной анатомии как самостоятельной научной дисциплины Ж. Кювье считал, что функция определяет строение органа, а его научный противник Э.Ж. Сент-Илер утверждал обратное. Оба они лишь приблизились к основам теории эволюции, которую представил в XVIII веке Ч. Дарвин [23]. И с этого времени, пусть по разному ученые связывали онтогенез и эволюцию, эмбриологию и сравнительную анатомию, чтобы понять механику (физиологию) развития. Главным различием между воззрениями разных ученых по данной проблеме было отношение к роли наследственности в развитии, причем генетика появилась только во второй половине XX века. Я, как анатом, изучаю органогенез и его механику [6], их эволюционные основы, но с пониманием значимости генетики для объяснения развития индивида и его органов [13]. Сравнительная анатомия и сравнительная эмбриология стали для меня основой изучения механизмов органогенеза, если формулировать шире – биологии развития органов. Чтобы обосновать такой выбор, я обратился к широко известным зарубежным книгам.
Изучение книги «Эмбрионы, гены и эволюция» [22] позволило мне сделать вывод, что отсутствует жесткая, прямая связь между: 1) генотипом и фенотипом; 2) структурой и функциональной активностью генома и белкового аппарата, включая биосинтез белков, 2а) а также между ними и морфогенезом. Изложенные факты и рассуждения авторов книги об этих фактах указывают на то, что имеющиеся сведения о генной организации живых существ ограничены, противоречивы и невсегда объективны. Поэтому оценивать роль генов в организации развития следует очень осторожно. Авторы [22] заметили: «…эволюционное изменение происходит путем модификации генетически детерминированной программы развития, имеющейся у каждого организма. Это заключение не следует воспринимать как модель полного генетического детерминизма... об истинном ходе событий сведений столь мало, что мы можем лишь строить гипотезы … центральной и все еще неразрешенной проблемой остается вопрос о том, каким образом гены направляют процесс создания организма». Авторы этой книги заявили также, что «…тканевые интегрирующие системы… обеспечивают образование основных типов клеток, тогда как организменная интегрирующая система определяет становление формы… В организме у более или менее полностью развившегося животного … Становятся необходимыми глобальные регулирующие механизмы, требующие взаимодействия между клетками на расстоянии, осуществляемого при участии гуморальных факторов – гормонов». Это согласуется с моим видением особой роли сердечно-сосудистой системы в организации развития индивида и его органов. Я имею в виду не только гормоны и гуморальный фактор, но и функцию организатора, оператора индивидуального развития, причем уже в период эмбрионального органогенеза, начиная с 4-й нед, особенно у плодов, когда сердечно-сосудистая система оформлена по дефинитивному плану и активно функционирует [2-5,7-12,14-20].
В главе 6-й книги констатировано: «Морфогенетические процессы чрезвычайно сильно взаимодействуют между собой, и эти взаимодействия приводят к канализации развития… кажущаяся направленность некоторых эволюционных линий отражает, возможно, ограничения, налагаемые теми эпигенетическими взаимодействиями, которые создают канализацию» [22]. Морфогенез органов определяется взаимодействиями между органами, которые растут неравномерно по темпам и направлениям, причем особенности роста органов детерминированы составляющими их тканями и клетками. Иначе говоря, гистогенез – это базис органогенеза, начиная с эпителиальных зачатков органов [6,16,19], т.е. движения клеток предопределяют становление определенной пространственной структуры, формы, о чем и заявляют авторы обсуждаемой книги в главе 9-й: «Программа развития слагается из связанных между собой явлений двух типов – клеточной дифференцировки и становления пространственной структуры… попытаемся выяснить, … как происходит развитие пространственной структуры и формы… эволюцию и морфологии, и клеточной дифференцировки следует понимать именно в контексте становления пространственной структуры». В конце 11-й главы книги авторы отметили зависимость генной активности от эпигеномных влияний: «Увеличение числа генов и приобретение новых генов, возможно, участвуют в эволюции большинства групп эукариот, однако главную роль в ней играют модификации изощренных регуляторных механизмов. Эволюционные изменения генной экспрессии, вероятнее всего, происходили путем изменений в отдельных регуляторных элементах… локальные регуляторные элементы реагируют на сигналы, генерируемые интегрирующими системами, которые управляют экспрессией многочисленных генов, с тем чтобы создавать интегрированные ткани и определять морфогенетические пути».
Я изучал значение для эмбрионального органогенеза соотносительного объема соседних органов как отражения интенсивности / темпа их роста (~ градиент морфогенетического давления), в т.ч. в аспекте видовых особенностей межорганных взаимодействий [6]. У плодов человека и плацентарных млекопитающих органогенез в брюшной полости определяется в первую очередь соотношением объемов и особенностями роста печени и кишечника. Этот тезис иллюстрируется соотношениями печени и слепой кишки у грызунов: всеядная и подвижная крыса – крупная печень, небольшие толстая кишка в целом и слепая кишка в ее составе; малоподвижная растительноядная морская свинка – печень меньше, огромная слепая кишка и постоянные петли восходящей ободочной кишки; очень подвижная растительноядная дегу с небольшой печенью занимает по слепой кишке промежуточное положение в этом ряду, но явно ближе к морской свинке. У морской свинки изменение относительного роста (объема) правой и левой долей печени прямо коррелирует с положением и строением двенадцатиперстной и восходящей ободочной кишки.
Межорганные взаимодействия в эмбриогенезе определяют становление дефинитивных анатомотопографических взаимоотношений органов на основе неравномерного роста органов, в т.ч. стенок полостей тела (лимитирующий фактор емкости). Соотношение темпов роста органов по разным направлениям изменяется с изменением влияния данного органа на развитие соседних органов. Органы состоят из тканей. Межтканевые взаимодействия, в т.ч. типа эпителиостромальных (эпителиомезенхимных), лежат в основе органогенеза. Его главный механизм – полифокальный рост эмбриона: пролиферирующие эпителиальные зачатки органов чередуются с промежуточными зонами мезенхимы, которые сужаются между закладками органов в целом. Таким образом индивидуальная пространственная организация осуществляется в процессе межорганных взаимодействий, на основе неравномерного роста органов, темпы которого обычно снижаются по мере созревания составляющих их тканей.
В эволюции, вероятно, функциональная активность, например – пищевая нагрузка, детерминирует адекватный морфогенез органов и их топографию путем изменения их абсолютного и относительного роста, что закрепляется естественным отбором согласно мнению И.И.Шмальгаузена (эволюция / онтогенез) [23,24]: топографические координации / эргонтические корреляции > организационные координации / морфофункциональные корреляции. Однако естественный отбор – многофакторный процесс. Объем слепой кишки, например, зависит не только от степени, но и от длительности ее наполнения (брожения пищевых остатков), а это, в свою очередь, от «грубости» пищи (крыса > морская свинка ^). Длительность наполнения органа еще зависит, но обратно, от его эвакуаторной функции, которая, в свою очередь, зависит от степени развития мускулатуры, собственной (самого органа) и скелетной (стенок брюшной полости), подвижности животного (дегу > морская свинка v). Подобная функциональная морфология характерна для ободочной кишки.
В 12-й главе книги [22] ее авторы замечают: «Наилучшими примерами генов, контролирующих морфогенез, служат гены, регулирующие положение, число и индивидуальность головных, грудных и туловищных сегментов у дрозофилы… Мы все еще не в состоянии установить подлинные механизмы морфогенеза…». По моим данным, в несегментированной аксиальной мезодерме эмбриона человека определяются сгущения мезодермальных клеток [4,8]. Быстро растущие кластеры все более темных мезодермальных клеток разделяются постепенно утолщающимися прослойками более светлых клеток: цепь сомитов удлиняется, присоединяя новые звенья, их мезодермальные клетки приобретают радиальную ориентацию. Образование сомитов происходит с конца 3-й нед и до начала 6-й нед. В эти сроки наблюдается скручивание тела эмбриона вокруг продольной оси в процессе интенсивного каудального удлинения эмбриона, плавающего вокруг сужающегося зародышевого ствола, в окружении уплотняющихся оболочек. На 6-й нед заметно накопление гликозамингликанов в зачатках позвонков. На 7-й нед выражено охрящевление туловищного скелета, когда прекращается кручение эмбриона. Наиболее интенсивно сомитообразование происходит у эмбриона человека 4-й нед. В конце 4-й нед наблюдается новообразование поясничных сомитов: дорсокаудальнее бифуркации аорты межсегментарные сосуды вместе с рыхлой мезенхимой внедряются в толщу тяжа дорсальной мезодермы, разделяя его на очаги сгущения мезодермальных клеток. Таким образом намечаются зачатки сомитов.
Я предположил: сосуды участвуют в морфогенезе сомитов как делители их зачатков в условиях продольного растяжения и кручения тела эмбриона с мягким скелетом. Скорость (периодичность) сегментирования определяется свойствами белков, закодированными в геноме мезодермальных клеток, что модно называть часами сегментирования. Я предложил двухволновую модель сегментирования мезодермы, подкрепляющую мое предположение о ключевой роли аорты в становлении квазисегментарного устройства тела человека, начиная с эмбриогенеза. Волны дифференциации осевой мезодермы: 1) детерминации – ее продольное растяжение при удлинении эмбриона с напряжением адгезии (и разрывом первичных, продольных связей ?) клеток, т.е. их дезадаптацией, индуцируют их пролиферацию и сгущение, что стимулирует также рост микрососудов, 1а) геном реагирует не только на химические, но и на физические (в т.ч. натяжение) сигналы, отвечая на них экспрессией генов; 2) регуляции данного процесса – кручение обусловливает поперечную перетяжку мезодермы, что облегчает ее разделение на сомиты сосудисто-мезенхимными клиньями; одновременно происходит дифференциация, включая контакты, и реагрегация клеток (их морфогенетическая адаптация). Моя гипотеза корреллирует с различными предположениями о механике становлении метамерии животных в эволюции: 1) А.Ланга – связь с локомоцией и размещением сосудов; 2) Б. Гатчека и Э.Перрье – способность пролиферировать на заднем конце тела однородные небольшие участки, последнее сегодня переросло в гипотезу «часов и волны» сегментации тела у позвоночных и беспозвоночных животных. Иначе говоря, движения мезодермальных клеток в процессе сомитогенеза основываются на классической модели гистогенеза: митоз (пролиферация) - дифференциация, равновесие системы регулируется средой развития мезодермальных клеток и парахордальной мезодермы в целом.
В процессе интенсивного удлинения эмбриона возникает краниокаудальный градиент напряжения парахордальной мезодермы, что приводит к дезадаптации мезодермальных клеток и их связей с реорганизацией метаболизма, т.е. к биохимической дифференциации мезодермы и детерминации сомитов. Первая волна дифференциации осевой мезодермы инициирует вторую волну ее дифференциации, морфологической, т.е. сегментацию при участии кровеносных сосудов в связи с кручением тела эмбриона. На этом этапе развития происходит реагрегация мезодермальных клеток с образованием новых связей между ними (адаптация клеток). Или, иначе говоря, селективное сцепление, основанное на различиях в химизме поверхности мезодермальных клеток, является причиной разделения их массива на физически обособленные сомиты. Межклеточные коммуникации могут служить путями проведения сигналов, причем не только определяющих пространственную периодичность формирования сомитов, но и сигналов о меняющемся состоянии среды обитания клеток (эпигеномная регуляция развития), включая контакты. Нарушение (ослабление) в результате этого первичных связей клеток сопровождается снятием (снижением) клеточного торможения и пролиферацией мезодермальных клеток, а затем их внутриклеточной перестройкой (дифференциацией) с последующим образованием новых межклеточных связей. Возможно таким образом и запускаются часы сегментации тела эмбриона ? Ведь эти часы, если реально они существуют, лишь деталь физиологии эмбриона в части сомитогенеза на молекулярном уровне индивидуальной организации. Мое мнение согласуется с предположением, что паттерны сегментации – это результат многослойного процесса развития, в котором иерархически взаимодействуют эпигенетические механизмы и экспрессия генов, иначе говоря, генетическая детерминация и эпигеномная регуляция сомитогенеза сопряжены [4,8], в т.ч. в виде саморегуляции развития мезодермы и эмбриона в целом.
Введение в 1-й том книги «Биология развития» [1] С. Гилберт начинает с важного замечания: «Организм – это не просто собрание случайно расположенных клеток различных типов, и развитие заключается не только в дифференцировке клеток, но и в их пространственной организации в многоклеточные структуры (ткани и органы), называемой морфогенезом». В число основных вопросов морфогенеза С.Гилберт включает следующий: «Как происходит рост органов и составляющих их клеток: как скоординирован этот рост в процессе развития ?». В эпилоге книги С. Гилберт подчеркивает: «Одна из важнейших задач биологии развития – перевод рабочих дефиниций в действительные вещества и процессы. Такими рабочими дефинициями… изобилует область морфогенеза …».
Заключение
Я предлагаю свое видение механики органогенеза и его эволюционных основ [13]. Орган в развитии следует изучать как часть целого организма в неразрывной связи с функцией [23]. В эволюции, вероятно, функциональная активность органов под нагрузкой, пищевой и / или двигательной, например, точнее – их перегрузкой, детерминирует адекватные изменения морфогенеза и становления топографии органов путем изменения их роста, абсолютного и относительного, что в онтогенезе закрепляется путем изменения генофонда индивида. Естественный отбор, главный регулятор такого способа развития, является многофакторным процессом. Поэтому объем (> форма) разных отделов толстой кишки, например, зависит не только от «грубости» пищи, но и от степени развития мускулатуры (органа и стенок брюшной полости), подвижности животного. Сходные преобразования претерпевают и другие органы. Отсюда вытекает формула эволюционных основ механики органогенеза в онтогенезе: онтогенез - эволюция / индивидуальная структура - функция - филетическая структура. Переходы в цепи представленной формулы означают преобразования организма в эволюционной цепи онтогенезов на основе сопряжения структуры и функции, через разные формы взаимодействий органов. Последние рассматриваются как движущая сила развития. Топографические координации как особая форма морфогенетических корреляций играют важную роль в органогенезе: прямые механические взаимодействия органов определяют становление их дефинитивных анатомо-топографических взаимоотношений на основе неравномерного роста, в т.ч. стенок полостей тела (лимитирующий фактор емкости).
Анализ широко известных публикаций о механизмах развития живых существ позволяет мне заметить, что имеющиеся сведения о генной организации индивидов очень ограничены, противоречивы и невсегда объективны. Поэтому оценивать роль генов в организации развития следует осторожно. Результаты собственных исследований позволяют утверждать, что индивидуальная пространственная организация осуществляется в процессе межорганных взаимодействий, неравномерного роста органов, его темпы снижаются по мере созревания тканей. Считаю, что влияние окружающей среды на развитие организмов и органов (эпигенетический фактор) играет ключевую роль в реализации генетической информации.
Библиографическая ссылка
Петренко В.М. ЭМБРИОЛОГИЯ, СРАВНИТЕЛЬНАЯ АНАТОМИЯ И БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 11-5. – С. 909-913;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10558 (дата обращения: 19.04.2024).