Космическая эмбриология

Одна из проблем космической биологии — проблема развития организма в условиях космического полета. Исследование ее ставит перед собой не одну, а две цели, как будто бы противоположные, но в действительности дополняющие друг друга. Первая — исследование условий космического полета с помощью развивающегося зародыша, а вторая — исследование механизма развития зародыша с помощью условий космического полета.

При полете в космос человека ожидает целый комплекс новых, не встречающихся на Земле условий внешней среды: перегрузки и вибрации при взлете и посадке, невесомость и радиация во время полета. Многие из них мы можем моделировать на Земле, многие можем измерить во время полета с помощью приборов, однако узнать, какое действие все эти условия оказывают на организм в совокупности, мы можем только в биологическом эксперименте. Не случайно каждый шаг человека в космосе предварительно изучается с помощью животных и растений. Не случаен и сам выбор этих живых организмов, которые в этом случае являются своеобразными живыми дозиметрами.

Соответствующий подбор их позволяет точно оценить роль того или иного фактора или их совокупность. Особенно чувствительным дозиметром могут служить зародыши животных. Это связано с тем, что повреждение, которое наносится зародышу, состоящему на ранних стадиях развития из немногих клеток, впоследствии передается многим клеткам растущего организма и таким образом многократно усиливается. Радиационное повреждение, например, хромосомы в ядре яйца в ходе последующего его деления передастся всем клеткам зародыша и приведет к образованию уродливого или нежизнеспособного организма. (Такой вот природный стерилизатор).

Так, радиационные поражения в организме взрослой мыши можно обнаружить только после действия доз в 100— 200 рентгенов. Для того, чтобы наверняка вызвать гибель животного, необходимо не менее 700 рентгенов. В то же время при облучении зародыша мыши заметные нарушения видны уже при дозах 25—40 рентгенов, а гибель зародышей происходит при дозах 100—290 рентгенов. При облучении яйца можно обнаружить действие таких малых доз, как 5—1.0 рентгенов. Следовательно, развивающиеся зародыши могут быть использованы в космическом полете как особо чувствительный биологический дозиметр радиационной опасности.

Есть и еще одна задача, для решения которой надо знать, как происходит развитие в условиях космического полета. Речь идет о создании замкнутого биологического цикла. Хорошо известно, что для обеспечения космонавтов в длительном полете кислородом и продуктами питания необходимо создать систему, в которой с помощью солнечной энергии продукты распада перерабатывались бы в кислород и усвояемые пищевые вещества. Одним из звеньев такого цикла обязательно должны быть растения, которые усваивают солнечную энергию и используют для биологического синтеза углекислый газ, из которого и высвобождается кислород. Однако растительные белки не всегда могут непосредственно усваиваться человеком. В качестве звена, стоящего между растением и человеком, наверняка будут какие-либо быстро растущие и размножающиеся животные.

Рассмотрим теперь вторую цепь — использование космических полетов для изучения механизмов развития, для решения эмбриологических и общебиологических проблем. Перегрузки, вибрация и радиация могут быть относительно легко воспроизведены на Земле, и изучение их влияния на зародыш на спутнике малоцелесообразно. Правда, на Земле еще не может быть получено излучение таких высоких энергий, как первичные космические лучи. Изучение особенностей их действия на организм, в том числе на эмбриональный, представляет определенный интерес для радиобиолога. Но есть еще один фактор космического полета, который никак не может быть воспроизведен и практически использован на Земле, — это невесомость. Именно ее влияние на ход эмбрионального развития представляет особый интерес.

Успешные полеты космонавтов показали, что человек без вреда переносит пребывание в космосе, в том числе и невесомость. Но есть ли уверенность, что и зародыш легко перенесет невесомость и что земное притяжение не является необходимым условием развития! Это совсем не так очевидно. Как, например, будет развиваться в условиях невесомости куриное яйцо! Казалось бы, нормально. Зародыш заключен в скорлупу, и ему скорее могут повредить перегрузки, чем невесомость. Однако, хотя такого опыта до сих пор не сделано, следует ожидать другого. Дело в том, что на ранних стадиях развития куриный зародыш вплотную прилегает к скорлупе: он находится наверху желтка, а сам желток, который легче белка, прижимается к верхней поверхности скорлупы. Это обеспечивает быструю диффузию газов — кислорода и углекислого газа — к зародышу и от него.

В условиях же невесомости желток может находиться в любом положении и сам зародыш может оказаться на любой стороне желтка. Поступление кислорода будет явно затруднено, и это может оказаться гибельным для зародыша. (На более поздних стадиях развития дыхание зародышей птиц осуществляется с помощью сосудов, выстилающих скорлупу изнутри). Мы привели этот пример только для иллюстрации. Если куриный зародыш действительно будет «задыхаться» в невесомости, то механизм этого нарушения ясен и не представляет большого научного интереса.

Более сложной представляется проблема возникновения билатеральной (двусторонней) симметрии в развитии и роль земного тяготения в этом процессе. О ней следует поговорить более подробно. И для этого надо на время отвлечься от «космической биологии» и рассмотреть одну чисто земную эмбриологическую проблему.

Большинство животных на Земле являются билатерально-симметричными: их тело может быть разделено плоскостью на левую и правую половины, у них можно различить спинную и брюшную стороны, головной и хвостовой концы тела. Только немногие наиболее просто организованные и обычно малоподвижные животные имеют не билатеральную, а радиальную симметрию: у них можно различить только одну ось тела, вокруг которой радиально располагаются одинаковые органы. У этих животных есть только спинная (или верхняя) и брюшная (или нижняя) стороны, но нет головного или хвостового конца. Типичными представителями радиально-симметричных животных являются, например, медузы или гидры.

Когда же и каким образом возникает у животных плоскость билатеральной симметрии и две образующие ее оси — сверху вниз и спереди назад! Яйцо, как правило, радиально-симметрично: в нем есть только одна ось, обычно идущая от будущего головного конца к будущему хвостовому. Рассмотрим для примера яйцо лягушки. Хотя по форме оно является почти правильным шаром, в нем легко различить верхний и нижний концы. Верхняя половина яйца содержит черный пигмент, а нижняя почти белая. При более детальном изучении легко убедиться, что на нижнем, так называемом вегетативном, полюсе содержится основная масса желтка. На верхнем, так называемом анимальном, полюсе желтка значительно меньше, а больше цитоплазмы. На анимальном полюсе находится и ядро яйца.

Отличия анимального и вегетативного полюсов еще отчетливее выражены в яйцах рыб, птиц и пресмыкающихся: у них зародыш находится только на анимальном полюсе, а вся остальная масса яйца занята запасным питательным веществом — желтком.

Вторая ось, необходимая для создания плоскости билатеральной симметрии, возникает обычно только после оплодотворения. Посмотрим, как это происходит в яйце лягушки. Только что отложенное и оплодотворенное яйцо плотно связано с оболочками и первое время ориентировано случайно. Его анимальный полюс может быть повернут в любую сторону, обращен вверх или вниз. (Понятно, что положение яйца, в котором оно повернуто анимальным полюсом точно вверх, возможно, но маловероятно.) Вскоре после оплодотворения оболочка несколько отходит от яйца, освобождая его и давая возможность вращаться; и в самом деле яйцо тут же поворачивается тяжелым, вегетативным полюсом вниз, а легким, анимальным — вверх. Как бы теперь ни вращать яйцо, оно все равно сохранит свою ориентировку, определяемую земным тяготением.

Однако оно все еще радиально-симметрично: где будет спинная, а где брюшная сторона зародыша, неизвестно. Только позднее, приблизительно через час после оплодотворения, на одной стороне яйца на границе черного анимального и белого вегетативного полушариев образуется своеобразная серая зона, так называемый «серый серп». Он-то и определяет будущую спинную сторону зародыша. С этого времени яйцо из радиально-симметричного становится билатерально-симметричным. В нем теперь есть две оси, проходящие через центр яйца: первая, соединяющая анимальный и вегетативный полюса, и вторая, перпендикулярная ей, соединяющая точку экватора, где находится середина серого серпа, с противоположной точкой экватора (будущая брюшная сторона).

Что же определяет эту вторую ось, а значит, и всю плоскость симметрии яйца! Почему серый серп возникает в этой, а не в другой точке экватора! Может быть, серый серп в скрытом виде был в яйце с самого начала развития, еще до оплодотворения! Нет, это не так. Можно провести опыт с оплодотворенным яйцом, повернувшимся анимальным полюсом вверх. Если яйцо наклонить набок, а затем отпустить и дать ему вернуться в прежнее положение, то серый серп образуется как раз на стороне, которая была наклонена вниз. Если еще раз наклонить яйцо, уже в другую сторону, то серый серп образуется на стороне, в которую яйцо было наклонено в последний раз. (Все эти опыты удаются только в первое время после оплодотворения. Полчаса или час спустя новые повороты яйца уже не могут изменить места появления серого серпа. Плоскость билатеральной симметрии уже окончательно определилась.)

Таким образом, было показано, что именно плоскость, в которой под действием силы тяжести поворачивается яйцо после отделения его от оболочек, определяет плоскость билатеральной симметрии. Следовательно, она возникает случайно, так как яйцо случайно оказывается лежащим (или плавающим) той или иной точкой экватора вниз. Эта закономерность в развитии яйца лягушки была установлена французскими учеными Ансепем и Винтерберже. На яйцах осетровых рыб ее подтвердили исследователи Т. А. Детпаф и А. С. Гинзбург.

Однако в проблеме далеко не все ясно. Оказывается, если яйцо с самого начала, еще до оплодотворения, установлено анимальным полюсом вверх и поворот, естественно, не происходит, развитие все равно идет нормально. Что определяет положение серого серпа в этом случае! По мнению французских ученых, оно зависит от места внедрения спермия в яйцо при оплодотворении. Но у осетровых рыб он проникает в яйцо через особые отверстия на анимальном полюсе, так называемые микропиле. В этом случае спермий не может определить будущей спинной или брюшной стороны, так как сам движется вдоль анимально-вегетативной оси. Неясно также, каков механизм установления билатеральной симметрии при повороте яйца.

Может быть, определяющим является путь перетекания какой-то более легкой или более тяжелой жидкости! Возможно, что при повороте она движется вверх или вниз вдоль поверхности яйца с внутренней стороны и те изменения, которые на этой стороне происходят, определяют появление серого серпа, а затем и ориентировку в пространстве. А может быть, как считает ряд ученых, поворот вызывает очень слабые натяжения на одной стороне яйца, и их оказывается достаточно для определения плоскости симметрии.

Так или иначе, прежде всего, необходимо выяснить, какую роль в этом процессе играют силы земного тяготения, необходимы ли они для развития зародыша на раннем этапе. Нужны опыты, в которых развитие начиналось бы в состоянии невесомости. Не следует думать, что постановка этих опытов необходима для решения одного частного вопроса эмбриологии. Становление билатеральной симметрии является частью одного из самых актуальных вопросов о том, почему и каким образом из одной клетки возникают — дифференцируются — клетки различных органов и тканей, так сильно отличающиеся друг от друга.

Что же удалось сделать сегодня! Первой задачей было выяснить, может ли вообще развитие происходить в космическом корабле и как на него влияют неизбежные факторы полета — перегрузки и вибрации.

С этой целью были поставлены предварительные модельные опыты, на которых исследовалось раздельно влияние перегрузок и вибрации на развитие различных зародышей и на разных стадиях. Было показано, что те ускорения и вибрация, которыми сопровождаются взлет и посадка, не оказывают заметных повреждающих влияний.

Следующим шагом работы были опыты на космических кораблях. Одним из первых исследованных нами объектов были яйца паразитических червей — нематод. Они оказались удобными в целом ряде отношений и прежде всего потому, что способны жить в очень широком диапазоне температур. Это позволяет доставлять на борт космического корабля охлажденные, не развивающиеся яйца. В условиях полета при нормальной температуре они проходят определенные стадии развития, а после спуска их снова охлаждают и в таком виде привозят в лабораторию. Там можно наблюдать, как проходит их развитие после полета.

Автор: А. Нейфах.