Эпидермис насекомых

Перейдем теперь от рассмотрения более или менее абстрактных проблем к анализу вопросов, которые, по мнению биологов, ближе к реальности и имеют под собой более прочную экспериментальную основу, чем те, на которых базировались наши представления о пространственных периодичностях. Интересный материал для изучения морфогенетических полей дал в течение последних нескольких лет эпидермис насекомых. В нем имеются индикаторы полярности ткани, ориентацию которых можно точно определить как при нормальных условиях развития, так и при наличии какого-либо воздействия. Имеются очень интересные группы данных о нарушении эпикутикулярных складок, вызванных авто- и гомотрансплантацией с поворотом трансплантата у RhocLtiius (Locke, 1959, 1966), о нарушении ориентации чешуек у Galleria (Piepho, 1955), ориентации щетинок и волосков у Oncopeltus (Lawrence, 1966, 1970), пространственной

структуры клеточной дифференцировки у Galleria (Marcus, 1962; Stumpf, 1968) и устойчивости ориентации нитей кутикулы у жука Tenebrio molitor (Caveney, 1973). Такие данные достаточно достоверны, чтобы количественно проверить адекватность градиентных моделей.

Прекрасный пример такой проверки можно найти в статье Лоуренса, Крика и Манро (Lawrence, Crick, Munro, 1972), где определяется применимость двух разных моделей для объяснения характера наблюдаемых релаксационных структур, полученных Локке (Locke, 1959). Эксперимент состоит в следующем: из определенного места в данном сегменте куколки или личинки вырезают небольшой квадрат, поворачивают его на 90° и возвращают на место. Повернутый кусочек оболочки приживается и развивается вместе с организмом, и затем у взрослой особи изучаются нарушения полярности эпидермиса в повернутом кусочке и в его окружении. В этих экспериментах оболочка рассматривается как ткань с одномерной упорядоченностью, поскольку наблюдаются просто нарушения передне-задней полярности, что показывают любые полярные маркеры, которые несет ткань. У Rhodnius маркерами служат складчатые структуры взрослой эпикутикулы, которые в норме располагаются на ткани медиолатерально. Поворот трансплантата на 90° вносит противоречие между полярностью трансплантата и полярностью окружающей ткани, приводя к нарушению характера волнистости в трансплантате и его окрестностях. При полной релаксации складки шли бы параллельно структуре складок окружающей ткани, в то время как в отсутствие релаксации складки были бы расположены под углом 90° друг к другу. На самом деле наблюдается нечто среднее; степень релаксации зависит от момента развития, в который выполняется поворот трансплантата, а следовательно, от длительности периода, во время которого может произойти релаксация. Хотя далее мы будем проводить все рассуждения так, как если бы задача была одномерной, позже мы увидим, что в действительности это двумерная задача. Следует также иметь в виду, что эпидермис насекомых является периодической структурой, причем в продольном направлении он разделен на несколько сегментов, не совсем идентичных друг другу и возникающих в процессе развития с помощью некоторого периодического процесса, измеряющего пространство. Однако здесь мы остановимся на проблеме поля информации и возникновения полярности в пределах лишь одного сегмента.

Модели, использованные Лоуренсом и др. (Lawrence et al., 1972), были основаны на предположении о наличии в ткани пространственно распределенных источников и стоков, которые поддерживают в ней градиент диффундирующего метаболита (морфогена). Согласно первой модели, источник располагается на

передней границе сегмента, а сток — на задней, задавая линейный градиент морфогена в ткани. Поворот трансплантата или его замена в этом случае приведут к локальному нарушению градиента, который будет понижаться со скоростью, определяемой скоростью потока морфогена через ткань, т. е. константой диффузии и константами скоростей для источника и стока. Эта модель была численно рассчитана для ряда значений параметров и начальных условий; график зависимости концентраций морфогена от времени сравнивали с экспериментальными данными по определению формы контуров в центре трансплантата, что обеспечивало точное измерение степени релаксации. Было показано, что эта модель не дает хорошего согласия с экспериментом; в соответствии с ней пики и впадины структуры с нарушением должны давать большую релаксацию, чем наблюдалось экспериментально. Это означает, что трансплантат был более устойчив к релаксации, чем ожидалось на основании чисто диффузионного процесса типа рассмотренного первоначально. Это очень интересный и ценный результат.

Существует несколько способов, с помощью которых можно изменить систему, чтобы сделать ее «жестче» в смысле противодействия диффузионому расплыванию. Лоуренс и др. (Lowrence et al., 1972) предположили, что каждая клетка в ткани действует как гомеостат, стремясь поддерживать внутри себя данный уровень морфогена. Как этот уровень должен определяться, не указывается, но предполагается, что во время процесса развития вплоть до образования наружного покрова клетки оказываются «запрограммированными» (вероятно, с помощью предшествующего поля позиционной информации) и поддерживают концентрацию морфогена на заданном уровне согласно их положению в поле. Тогда каждая клетка становится источником или стоком. Эти распределенные источники и стоки наряду с диффузией создают градиент морфогена в ткани. «Жесткость» системы в смысле противодействия диффузионной релаксации определяется тогда способностью гомеостата сохранять уровень морфогена, несмотря на действие диффузионных сил, вызывающих его повышение или понижение. Было показано, что при некоторых значениях параметров эта модель очень хорошо соответствует экспериментальным данным.

Для объяснения других фактов было введено еще одно предположение. Оно основывалось на данных о том, что если у насекомого затягивали линьку на какое-то время сверх нормального, то нарушенная структура в трансплантате релаксировала даже быстрее. По-видимому, между числом линек, имевших место в промежуток времени от пересаживания трансплантата до наблюдения, и степенью релаксации структуры существует определенная корреляция. Так как цикл линьки включает клеточное

деление, то можно предположить, что релаксация складчатой структуры коррелирует с некоторыми характеристиками клеточного цикла; возможно, например, что клетки восстанавливают свой гомеостаз, «считывая» информацию поля (уровень морфогена в их непосредственной близости) на некоторой стадии клеточного цикла. Эта особенность напоминает постулат квантующего митоза, рассмотренный в гл. 3. Введя это свойство в свою модель, Лоуренс и др. получили хорошее соответствие с характером релаксации, наблюдаемой после ряда линек.

Численный анализ конкретной градиентной модели поля информации в развивающейся ткани представляет значительную ценность, особенно в том плане, что он обращает наше внимание на необходимость объяснения «жесткости» ткани, т. е. ее способности сохранять градиент после поворота, и на роль клеточного цикла в процессах релаксации. Эти особенности в дальшейшем были изучены экспериментально Кэйвини (Caveпеу, 1973) на Tenebrio molitor. Он четко показал, что с процессом релаксации коррелирует само клеточное деление. Кроме того, оказалось, что в повернутых трансплантатах у насекомых характер релаксации в передних областях заметно отличался от такового в задних областях; отсюда следует, что некоторые составляющие процесса являются нелинейными — вывод, к которому ранее пришел Локке (Locke, 1959), изучая трансплантаты у Rhodnius, повернутые на 180°, которые также обладают передне-задней асимметрией. Для объяснения этих данных в модель Лоуренса, Крика и Манро необходимо ввести предположение о независимости размещения источников и стоков.

Предположение о том, что градиент в ткани поддерживается клетками, действующими как гомеостаты, требует, чтобы клетки могли переключать устройства, регулирующие внутренний метаболизм, в любое из нескольких (скажем, пяти) различных состояний. При обсуждении вопросов клеточной регуляции по типу обратной связи в предыдущих главах мы не сталкивались с такой мультистабильностью (т. е. свойством системы обладать несколькими устойчивыми стационарными состояниями), и ее не так-то просто получить, когда клетки находятся в колебательном состоянии, даже предполагая сложное аллостерическое поведение. Мультистабильность, несомненно, характерна для развивающихся систем, но я не знаю экспериментальных указаний на то, что таким свойством обладают какие-либо молекулы в отдельной клетке. Требование, чтобы источники и стоки могли образовываться независимо друг от друга, вводит в модель

еще один уровень сложности. Кроме того, данные Кэйвини (Caveney, 1973) по клеточному делению вновь показывают, что органеллой, определяющей локальную полярность и играющей большую роль в общих процессах релаксации, является мембрана. Конечно, можно было бы допустить, что мембраны участвуют в гомеостазе и в определении полярности, но это значило бы ввести предположение ad hoc. Таким образом, интересно посмотреть, могут ли принципы, лежащие в основе волновой модели, использоваться для объяснения данных, полученных на эпидермисе насекомых, и можно ли распространить этот подход на другие системы.