9 месяцев назад
Нету коментариев

Феномен регенерации наблюдается не только у жи­вотных, но и у растений. Более того, восстановитель­ные процессы как у низших, так и у высших пред­ставителей растительного царства распространены гораздо шире — настолько, что считаются как бы само собой разумеющимися. Некоторые механизмы регенерации у растений дают специалистам по био­логии развития уникальный экспериментальный мате­риал. Сейчас мы перейдем к изложению одного из них.

«БОКАЛ РУСАЛКИ»

Одноклеточная зеленая водоросль идеально подходит для постановки экспериментов по изучению меха­низмов регенерации на молекулярном уровне. Мор­скую водоросль Acetabularia можно найти в тропи­ческих и субтропических морях многих частей света. Чтобы понять, почему ацетабулярию часто назы­вают «бокалом русалки», достаточно лишь раз взглянуть на это растение, но и при более внима­тельном осмотре не сразу увидишь, что весь орга­низм водоросли состоит из одной клетки. Во-первых, ацетабулярия достигает нескольких сантиметров в высоту, а во-вторых, состоит из трех отдельных частей: похожей на корень ризоидальной части, с помощью которой растение прикрепляется к придон­ным камням, тонкого растущего вверх «стебля» и похожей на шляпку структуры, расположенной на его вершине. Виды ацетабулярии различаются по строе­нию шляпки. Например, у Acetabularia mediterranea шляпка похожа на зонтик. Несмотря на внешнее сходство этих водорослей с высшими растениями, цитоплазма всех трех частей водоросли не преры­вается и они действительно являются отделами одной и той же клетки. Крупное единственное ядро водо­росли находится в ризоидальной части растения.

Каким образом осуществляется регуляция клеточ­ного роста, и в частности морфогенеза (развития формы), при восстановлении утраченных частей тела у растений или животных? На одноклеточной ацета­булярии был проведен ряд опытов, доказывающих важную роль нуклеиновых кислот в процессах мор­фогенеза. Значение ДНК, содержащейся в ядре кле­ток, которые участвуют в процессе регенерации, несомненно, но каким образом она взаимодействует с цитоплазмой клетки при восстановлении исходных размеров и формы последней, совершенно непонятно. Счастливое стечение обстоятельств в случае с «бока­лом русалки» сделало возможным хотя бы частич­ное решение этого вопроса. Во-первых, все виды ацетабулярии способны к восстановлению утраченных шляпок; разрез заживает, и исходная форма расте­ния восстанавливается примерно за месяц. Для реге­нерации шляпки не обязательно, чтобы ядро было цело; если удалить шляпку и через некоторое время перерезать стебель над ризоидальной частью расте­ния, шляпка полностью восстановится (рис. 43, А). Во-вторых, было обнаружено, что можно легко пере­саживать верхнюю часть (стебель со шляпкой) аце­табулярии одного вида на нижнюю часть растения (ризоиды) другого. Была проведена серия опытов с целью выяснить механизм влияния ядра и цитоплаз­мы на развитие формы регенерирующей шляпки.

На первом этапе эксперимента у водорослей двух видов Acetabularia удаляли шляпки, а вслед за тем и ризоидальные основания; стебли растений переса­живали от одного к другому, и они, таким образом, прикреплялись ко дну с помощью «чужих» ризоидов. Очень часто первая шляпка, регенерировавшая у та­кого растения, относилась к промежуточному типу, неся черты сходства с обеими родительскими фор­мами. Однако, если регенерировавшую шляпку уда­ляли, все последующие регенераты внешне ничем не отличались от того вида, которому принадлежало пересаженное ядро (рис. 43, Б). Таким образом, у «бокала русалки» диспетчерский центр информации по регенерации шляпки находится в ядре, и приказы о реконструкции шляпки передаются от ядра через цитоплазму к вершине стебля, где они и осуществ­ляются практически.

Acetabularia

Acetabularia

Биохимическая интерпретация результатов дан­ного эксперимента исходит из предположения, что информация для восстановления шляпки поступает в форме информационной РНК. Мы уже знаем, что эта форма нуклеиновых кислот осуществляет пере­дачу «кода» для синтеза белков от ДНК в ядре клетки к расположенным в цитоплазме рибосомам. Информационная РНК ацетабулярии, кодирующая белки шляпки, стабильна и имеет длительный пе­риод жизни, поскольку регенерация шляпки может происходить и спустя некоторое время после удале­ния ядра. Это заключение подтверждается опытами с пересадкой, в которых, как вы помните, часто регене­рировали шляпки промежуточной формы по отноше­нию к родительским видам водорослей. Произошло это потому, что образующий шляпку участок цито­плазмы некоторое время получал информационные импульсы от исходного ядра уже после фактического замещения его ядром другого вида. Образование шляпки промежуточного типа явилось следствием реализации комбинированной инструкции от обоих ядер — старого и нового.

При некоторых других воздействиях на «бокалы русалки» были получены данные и о вовлечении РНК в морфогенез шляпки. Так, в одном из опытов после удаления шляпки, а затем и ризоидов верхняя часть стебля подверглась ультрафиолетовому облу­чению. (Эта форма радиации способна поражать нуклеиновые кислоты.) В результате новая шляпка не образовалась. В другом эксперименте после обра­ботки верхушки стебля ферментом рибонуклеазой, расщепляющей молекулы РНК на мелкие фрагменты и соответственно нарушающей ее функции, формиро­вание шляпки также не произошло. В третьем экспе­рименте водоросли, лишенные шляпок, но сохраняю­щие ядра, обрабатывали антибиотиком — актиноми­цином D — препаратом, препятствующим синтезу РНК на матрицах ДНК. И этот способ обработки помешал регенерации. Итак, совершенно ясно, что восстановление какого-либо участка ацетабулярии не может происходить при подавлении продукции РНК или разрушении ее молекул, выделяемых в ци­топлазму, поскольку в этих случаях прерывается поступление информации о том, каким образом должны воссоздаваться утраченные структуры.

Результаты описанной здесь работы о роли ядра и цитоплазмы при регенерации у Acetabularia — лишь небольшая часть того, что известно о молеку­лярной биологии этих интересных клеток. Получено много важной информации о том, где локализуются, синтезируются и как функционируют различные нуклеиновые кислоты данной системы. Для изучения «бокалов русалки» используются недавно разработанные биохимические методы и электронная микро­скопия. Эти водоросли еще долго будут оставаться ценным экспериментальным объектом для изучения закономерностей восстановительного роста.

РЕГЕНЕРАЦИЯ У МОРКОВИ — «МНОГО ИЗ ОДНОГО»

Представим себе, что вы составляете своего рода «памятный листок» о способах регенерации у расте­ний и животных, об организмах, у которых наблю­даются восстановительные процессы. Естественно, в первую очередь вы включите туда различные виды восстановления утраченных и поврежденных частей сложных многоклеточных организмов. Эта восстано­вительная способность у высших позвоночных огра­ничена отрастанием нервов, замещением поврежден­ной мышечной ткани и регенерацией костных и кож­ных повреждений. Примеров такого типа регенерации немало. У многоклеточных организмов также воз­можно восстановление всего тела из небольшого его фрагмента, как мы видели у гидры или планарий. С этой точки зрения реакция на повреждение у одно­клеточных организмов во многом напоминает таковую у их более сложно организованных эволюционных «потомков» — так происходит восстановление опре­деленной специализированной части, например шляп­ки у «бокала русалки», или возникает новая клетка из некоторых своих компонентов, как у инфузории трубача. К другому типу регенерации (если этот термин понимать более широко) вы отнесете разра­стание клеток печени в ответ на удаление ее части или клеток второй почки после удаления первой. И в том, и в другом случае восстановительный рост обус­ловливается необходимостью компенсации функций утраченных органов или их частей. Следующее место в вашем списке должно занять периодическое естест­венное замещение таких структур, как рога или перья. Наконец, нельзя не вспомнить о регенерации, которая состоит в сборке заново или реагрегации разъединенных клеток организма. Она характерна для губок.

Еще один тип регенерации, совершенно не похо­жий ни на какой из упомянутых выше классических процессов, был обнаружен у моркови. Одна индиви­дуальная клетка, полученная из тканей зрелого мно­гоклеточного растения моркови, может при опреде­ленных условиях культивирования восстановить целый организм, включая корни, цветки и семена.

Этот тип регенерации, который можно назвать «восстановление из бесконечно малого», был открыт, когда небольшие кусочки корня моркови выращивали методом культуры ткани (в опытах использовали или обыкновенную, или дикую морковь, известную как «кружево королевы Анны»). При использовании обычной культуральной среды рост эксплантатов был ограниченным: клетки несколько увеличивались в размере, но не делились. В исходную культуральную жидкость добавляли различные вещества в надежде стимулировать клеточное деление, а следовательно, и рост растения. Опыты были безуспешными, пока в культуральную жидкость не добавили молоко кокосо­вых «орехов». В присутствии этого питательного ве­щества клетки моркови начали удивительно быстро расти. За несколько дней развилось бурное клеточное деление, после чего эксплантаты стали быстро увели­чиваться, как по размеру, так и по числу входящих в них клеток.

Для продолжения опытов культуральные сосуды, содержащие эксплантаты моркови, помещали в спе­циальный вращающий аппарат, так что кусочки растения контактировали то с воздухом, то с жидкой средой. В результате некоторые клетки срывались с поверхности растущих фрагментов, и неожиданно они-то и оказались жизнеспособными. При переносе в новые флаконы с добавлением кокосового молока такие отдельные клетки делились и образовывали многоклеточные скопления. В дальнейшем каждое скопление претерпевало постепенные изменения, при ближайшем рассмотрении напоминавшие обычные стадии развития зародышей моркови. Вначале ста­новились заметными скопления клеток сердцевидной формы, затем эти образования приобретали торпе­довидную форму. Если на этой стадии растения переносили в плотную желатинообразную среду, у никформировались стебли и корни; позже, достигая стадии взрослого растения, такая «регенерировавшая» морковь ничем не отличалась от обычной. Например, во время цветения в центре ее совершенно белых цветков были заметны типичные для моркови мелкие красные пятнышки (рис. 44).

Восстановление целого растения моркови из одной клетки кория

Восстановление целого растения моркови из одной клетки кория

Как и в случае восстановления шляпки ацетабу­лярии, регенерация моркови в присутствии кокосового молока является одной из проблем, стоящих перед биологией развития. Эта отрасль науки настойчиво ищет ответ на вопрос: насколько постоянна специали­зация клеток, происходящая во время эмбриогенеза? В обычных условиях морковь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки. Семя прорастает, про­исходят определенные изменения ростка и отдельные части растения постепенно приобретают типичный для зрелого организма вид. Описанный здесь экспе­римент свидетельствует, однако, что каждая отдель­но взятая клетка взрослого растения никогда не утрачивает потенциальной способности восстано­вить целое новое растение, то есть содержит весь клеточный механизм, необходимый для реализации подобного плана. Среда с кокосовым молоком как бы «демаскирует» клеточную информацию, необходи­мую для регенерационного процесса, осуществляет реактивацию всей цепочки событий, лежащих на пути от эмбриона до взрослого организма. Эти эксперименты показывают лишь, что подобный ход событий в принципе возможен,— на самом деле точ­ный механизм явления остается скрытым от нас. Мы можем только сказать, что рассмотренные нами примеры восстановительных процессов у растений дают немалую пищу для размышлений.

comments powered by HyperComments