Волновая модель и эпиморфоз

Поскольку зона развития играет особую роль в морфогенезе конечности, естественно расположить источник распространяющейся волны активности именно в этой области развивающейся конечности. Тогда волна будет распространяться в направлении от дистального конца к проксимальному, причем ионные и низкомолекулярные элементы волны через зону щелевого контакта будут перемещаться от клетки к клетке и установится градиент связанного морфогена с максимальным значением в зоне развития. Направление градиента в этом случае противоположно получаемому из модели Волперта и др., но это несущественно, так как ось возникает при градиенте, имеющем любое направление. Для того чтобы значение концентрации морфогена в зоне развития росло со временем, измеряемым клеточными делениями, мы можем предположить, что волна инициируется

один раз за клеточный цикл (или с некоторой определенной частотой), так что с каждым последующим ее повторением количество связанного с мембраной морфогена увеличивается. В конце концов наступает насыщение, значение которого, как считается, определяет большинство дистальных элементов крыла.

Чтобы объяснить, почему концентрация морфогена в клетках, которые покинули зону развития, перестает возрастать, можно, предположить, что возбудимость мебраны клеток, расположенных вне этой зоны, падает, поэтому волна не распространяется дальше некоторого определенного расстояния. Тогда роль апикального эктодермального гребня заключается в том, чтобы поддерживать основные клетки мезенхимы, расположенные под ним, в состоянии непрерывного клеточного деления, а их мембраны в состоянии способности к возбуждению при распространении волны активности, т. е. поддерживать состояние высокой неустойчивости и активности, характерное для области организатора. Теперь мы имеем все основные компоненты модели, которая обладает необходимыми свойствами для объяснения явлений, связанных с образованием проксимально-дистальной оси в крыле цыпленка. Любые уровни регуляции можно объяснить, исходя из понятий возбудимости клеток и расстояния, на которое может распространиться волна. Например, если в результате пересадки почки конечности на место ампутированной конечности клетки во время процесса заживления станут возбудимыми, так что волны смогут распространяться вне зоны развития дальше нормальных пределов, то произойдет сглаживание градиента и начнется регуляция развития.

Адекватность модели можно проверить экспериментально. При киносъемке развивающейся почки крыла удается обнаружить появление волн активности. Если периодически вводить в определенные участки почки конечности специфическое соединение, например цАМФ, который участвует в образовании градиента, можно нарушить нормальный морфогенез. Такие опыты аналогичны импульсным экспериментам Робертсона и др. (Robertson et al., 1972) по агрегации миксомицетов. Применяя другие агенты, такие, как калиевые и кальциевые ионофоры, можно помешать процессу распространения волны и избирательно нарушить морфогенез. Несмотря на ряд технических трудностей, можно провести интересные электрофизиологические исследования, чтобы попытаться зарегистрировать волны спонтанной активности.

Образование второй оси с помощью процесса распространения волн не сложнее, чем первой. Необходимо только иметь область пейсмекера, образованную в случае передне-задней оси крыла цыпленка зоной поляризующей активности, и метаболический

процесс на мембране с такими же общими характеристиками, как описанные в предыдущей главе. Некоторые метаболиты могут оказаться общими для разных волн активности, генерирующих разные оси; в этом случае удастся определить структуру взаимодействия между осями. Несколько подробнее мы обсудим эти вопросы ниже, при рассмотрении проблем нейроэмбриологии. Здесь же достаточно отметить, что видимые различия между эпиморфическими и морфаллактическими процессами развития не обязательно скрывают под собой разную природу процесса, генерирующего поле, и что волновая модель может быть легко приспособлена к любому случаю.

Теперь позвольте мне напомнить замечание, сделанное в гл. 3, о противоположности механизмов, предложенных в этой книге для образования морфогенетических полей во время морфогенеза, механизмам, поддерживающим тканевой гомеостаз у взрослых. В последнем случае речь шла о механизме, в основе которого лежала отрицательная обратная связь, обусловленная диффузией управляющих молекул из дифференцирующихся клеток (кейлонная модель). Стремясь понять образование морфогенетического поля у самых разных организмов, мы пришли в предыдущей главе к выводу, что для этого необходима несколько более динамичная модель, вероятно связанная с мембранами и поэтому применимая и к одноклеточным, и к многоклеточным организмам. Легко понять существование обоих этих процессов у многоклеточных, где управление клеточным делением является крайне важной особенностью органогенеза и дифференцировки. Они действуют в каком-то смысле комплементарно друг Другу, причем волновой процесс генерирует глобальные градиенты, организующие широкомасштабные или полевые аспекты морфогенеза, в то время как локальная обратная связь стабилизирует структуру ткани, регулируя процессы клеточного деления и дифференцировки. Один процесс может постепенно уступать место другому, причем исчезновение процесса, генерирующего глобальные градиенты, возможно, приведет к потере возбудимости клеток и, следовательно, потере способности к распространению волны активности. Способность ткани или органа к регенерации определяется в этом случае деталями их регенеративной стратегии. Разница между крысой и тритоном в отношении регенерации конечности может быть обусловлена различиями в возбудимости клеток ампутированной конечности и их способности генерировать морфогенетическое поле в новой ткани. В связи со сказанным выше очень интересными представляются выполненные Бекером (Becker, 1972) исследования способности слабых электрических токов стимулировать образование почки и частичную регенерацию конечности у крыс. Однако, по-видимому, бывают случаи, когда регенерация конечности

определяется практически только закономерностями локального взаимодействия между клетками, т. е. старая ткань определяет граничные значения поля, которое должно быть реконструировано при росте новой ткани; это может осуществляться почти таким же образом, как и в предложенной модели регенерации кожи. Но конечность имеет трехмерную упорядоченность, а кожа только одномерную, поэтому необходимо рассмотреть, каким образом может образовываться эта более сложная организация.