Космічна ембріологія
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Одна з проблем космічної біології – проблема розвитку організму в умовах космічного польоту. Дослідження її ставить перед собою не одну, а дві мети, начебто протилежні, але насправді доповнюючі одна одну. Перша – дослідження умов космічного польоту за допомогою зародка, що розвивається, а друга – дослідження механізму розвитку зародка за допомогою умов космічного польоту.
При польоті в космос людину чекає цілий комплекс нових умов зовнішнього середовища, які не зустрічаються на Землі: перевантаження і вібрації при зльоті та посадці, невагомість і радіація під час польоту. Багато з них ми можемо моделювати на Землі, багато можемо виміряти під час польоту за допомогою приладів, проте дізнатися, яку дію всі ці умови роблять на організм в сукупності, ми можемо тільки в біологічному експерименті. Не випадково кожен крок людини в космосі попередньо вивчається за допомогою тварин і рослин. Не випадковий і сам вибір цих живих організмів, які в цьому випадку є своєрідними живими дозиметрами.
Відповідний підбір їх дозволяє точно оцінити роль того чи іншого фактора або їх сукупність. Особливо чутливим дозиметром можуть служити зародки тварин. Це пов’язано з тим, що пошкодження, яке наноситься зародку, який складається на ранніх стадіях розвитку з небагатьох клітин, згодом передається багатьом клітинам зростаючого організму і таким чином багаторазово посилюється. Радіаційне ушкодження, наприклад, хромосоми в ядрі яйця в ході подальшого його розподілу передасться всім клітинам зародка і призведе до утворення потворного або нежиттєздатного організму.
Так, радіаційні ураження в організмі дорослої миші можна виявити тільки після дії доз в 100-200 рентгенів. Для того, щоб напевно викликати загибель тварини, необхідно не менше 700 рентгенів. У той же час при опроміненні зародка миші помітні порушення видно вже при дозах 25-40 рентгенів, а загибель зародків відбувається при дозах 100-290 рентгенів. При опроміненні яйця можна виявити дію таких малих доз, як 5-1.0 рентгенів. Отже, зародки можуть бути використані в космічному польоті як особливо чутливий біологічний дозиметр радіаційної небезпеки.
Є і ще одна задача, для вирішення якої треба знати, як відбувається розвиток в умовах космічного польоту. Мова йде про створення замкнутого біологічного циклу. Добре відомо, що для забезпечення космонавтів у тривалому польоті киснем і продуктами харчування необхідно створити систему, в якій за допомогою сонячної енергії продукти розпаду перероблялися б в кисень і засвоювані харчові речовини. Однією з ланок такого циклу обов’язково повинні бути рослини, які засвоюють сонячну енергію і використовують для біологічного синтезу вуглекислий газ, з якого і вивільняється кисень. Однак рослинні білки не завжди можуть безпосередньо засвоюватися людиною. В якості ланки, що стоїть між рослиною і людиною, напевно будуть які-небудь швидко ростучі і розмножуванні тварини.
Розглянемо тепер другий ланцюг – використання космічних польотів для вивчення механізмів розвитку, для вирішення ембріологічних і загальних біологічних проблем. Перевантаження, вібрація і радіація можуть бути відносно легко відтворені на Землі, і вивчення їх впливу на зародок на супутнику мало доцільно. Правда, на Землі ще не може бути отримано випромінювання таких високих енергій, як первинні космічні промені. Вивчення особливостей їх дії на організм, в тому числі на ембріональний, становить певний інтерес для радіобіології. Але є ще один фактор космічного польоту, який ніяк не може бути відтворений і практично використаний на Землі, – це невагомість. Саме її вплив на хід ембріонального розвитку представляє особливий інтерес.
Успішні польоти космонавтів показали, що людина без шкоди переносить перебування в космосі, в тому числі і невагомість. Але чи є впевненість, що і зародок легко перенесе невагомість і що земне тяжіння не є необхідною умовою розвитку! Це зовсім не так очевидно. Як, наприклад, буде розвиватися в умовах невагомості куряче яйце! Здавалося б, нормально. Зародок укладений в шкаралупу, і йому швидше можуть пошкодити перевантаження, ніж невагомість. Однак, хоча такого досвіду досі не зроблено, слід чекати іншого. Справа в тому, що на ранніх стадіях розвитку курячий зародок впритул прилягає до шкаралупи: він знаходиться нагорі жовтка, а сам жовток, який легше білка, притискається до верхньої поверхні шкаралупи. Це забезпечує швидку дифузію газів – кисню і вуглекислого газу – до зародка і від нього.
В умовах же невагомості жовток може перебувати в будь-якому положенні і сам зародок може виявитися на будь-якій стороні жовтка. Надходження кисню буде явно утруднено, і це може виявитися згубним для зародка. (На пізніших стадіях розвитку дихання зародків птахів здійснюється за допомогою судин, що вистилають шкаралупу зсередини). Ми привели цей приклад тільки для ілюстрації. Якщо курячий зародок дійсно буде «задихатися» в невагомості, то механізм цього порушення ясний і не представляє великого наукового інтересу.
Більш складною є проблема виникнення білатеральної (двосторонньої) симетрії в розвитку і роль земного тяжіння в цьому процесі. Про неї слід поговорити більш детально. І для цього треба на час відволіктися від «космічної біології» і розглянути одну чисто земну ембріологічну проблему.
Більшість тварин на Землі є білатерально-симетричними: їх тіло може бути розділене площиною на ліву і праву половини, у них можна розрізнити спинний і черевний боки, головний і хвостовій кінці тіла. Тільки деякі найбільш просто організовані і зазвичай малорухливі тварини мають не білатеральну, а радіальну симетрію: у них можна розрізнити тільки одну вісь тіла, навколо якої радіально розташовуються однакові органи. У цих тварин є тільки спинна (або верхня) і черевна (або нижня) сторони, але немає головного або хвостового кінця. Типовими представниками радіально-симетричних тварин є, наприклад, медузи або гідри.
Коли ж і яким чином виникає у тварин площина білатеральної симетрії і дві утворюючі її осі – зверху вниз і спереду назад! Яйце, як правило, радіально-симетричне: у ньому є тільки одна вісь, зазвичай вона йде від майбутнього головного кінця до майбутнього хвостового. Розглянемо для прикладу яйце жаби. Хоча за формою воно є майже правильною кулею, в ньому легко розрізнити верхній і нижній кінці. Верхня половина яйця містить чорний пігмент, а нижня майже біла. При більш детальному вивченні легко переконатися, що на нижньому, так званому вегетативному, полюсі міститься основна маса жовтка. На верхньому, так званому анімальному, полюсі жовтка значно менше, а більше цитоплазми. На анімальному полюсі знаходиться і ядро яйця.
Відмінності анімального і вегетативного полюсів ще виразніше виражені в яйцях риб, птахів і плазунів: у них зародок знаходиться тільки на анімальному полюсі, а вся інша маса яйця зайнята запасною поживною речовиною – жовтком.
Друга вісь, необхідна для створення площини білатеральної симетрії, виникає зазвичай тільки після запліднення. Подивимося, як це відбувається в яйці жаби. Тільки що відкладене і запліднене яйце щільно пов’язане з оболонками і перший час орієнтоване випадково. Його анімальний полюс може бути повернутий в будь-яку сторону, звернений вгору або вниз. (Зрозуміло, що положення яйця, в якому воно повернене анімальним полюсом точно вгору, можливо, але малоймовірно.) Незабаром після запліднення оболонка дещо відходить від яйця, звільняючи його і даючи можливість обертатися; і справді яйце тут же повертається важким, вегетативним полюсом вниз, а легким, анімальним – вгору. Як би тепер не обертати яйце, воно все одно збереже своє орієнтування, яка визначається земним тяжінням.
Однак воно все ще радіально-симетрично: де буде спинна, а де черевна сторона зародка, невідомо. Тільки пізніше, приблизно через годину після запліднення, на одній стороні яйця на кордоні чорного анімального і білого вегетативного шару утворюється своєрідна сіра зона, так званий «сірий серп». Він-то і визначає майбутню спинну сторону зародка. З цього часу яйце з радіально-симетричного стає білатерально-симетричним. У ньому тепер є дві осі, що проходять через центр яйця: перша, що з’єднує анімальний і вегетативний полюси, і друга, перпендикулярна їй, що з’єднує точку екватора, де знаходиться середина сірого серпа, з протилежною точкою екватора (майбутня черевна сторона).
Що ж визначає цю другу вісь, а значить, і всю площину симетрії яйця! Чому сірий серп виникає в цій, а не в іншій точці екватора! Можливо, сірий серп в прихованому вигляді був у яйці з самого початку розвитку, ще до запліднення! Ні це не так. Можна провести досвід з заплідненим яйцем, повернувшись анімальним полюсом вгору. Якщо яйце нахилити набік, а потім відпустити і дати йому повернутися в колишнє положення, то сірий серп утворюється якраз на стороні, яка була нахилена вниз. Якщо ще раз нахилити яйце, вже в інший бік, то сірий серп утворюється на стороні, в яку яйце було нахилене востаннє. (Всі ці досліди вдаються тільки в перший час після запліднення. Півгодини або через годину нові повороти яйця вже не можуть змінити місця появи сірого серпа. Площина білатеральної симетрії вже остаточно визначилася.)
Таким чином, було показано, що саме площина, в якій під дією сили тяжіння повертається яйце після відділення його від оболонок, визначає площину білатеральної симетрії. Отже, вона виникає випадково, оскільки яйце випадково опиняється лежачим (або плаваючим) тією чи іншою точкою екватора вниз. Ця закономірність у розвитку яйця жаби була встановлена французькими вченими Ансепем і Вінтерберже. На яйцях осетрових риб її підтвердили дослідники Т. А. Детпаф і А. С. Гінзбург.
Однак в проблемі далеко не все ясно. Виявляється, якщо яйце з самого початку, ще до запліднення, встановлено анімальним полюсом вгору і поворот, природно, не відбувається, розвиток все одно йде нормально. Що визначає положення сірого серпа в цьому випадку! На думку французьких вчених, воно залежить від місця впровадження спермія в яйце при заплідненні. Але у осетрових риб він проникає в яйце через особливі отвори на анімальному полюсі, так звані мікропіле. У цьому випадку спермій не може визначити майбутню спинну або черевну сторони, так як сам рухається вздовж анімальної-вегетативної осі. Неясно також, який механізм встановлення білатеральної симетрії при повороті яйця.
Можливо, визначальним є шлях перетікання якоїсь більш легкої або більш важкої рідини! Можливо, що при повороті вона рухається вгору або вниз вздовж поверхні яйця з внутрішньої сторони і ті зміни, які на цій стороні відбуваються, визначають появу сірого серпа, а потім і орієнтування в просторі. А може бути, як вважає ряд вчених, поворот викликає дуже слабкі натяги на одній стороні яйця, і їх виявляється достатньо для визначення площини симетрії.
Так чи інакше, насамперед, необхідно з’ясувати, яку роль у цьому процесі відіграють сили земного тяжіння, чи потрібні вони для розвитку зародка на ранньому етапі. Потрібні досліди, в яких розвиток починався б у стані невагомості. Не слід думати, що постановка цих дослідів необхідна для вирішення одного приватного питання ембріології. Становлення білатеральної симетрії є частиною одного з найактуальніших питань про те, чому і яким чином з однієї клітини виникають – диференціюються – клітини різних органів і тканин, так сильно відрізняються один від одного.
Що ж вдалося зробити сьогодні! Першим завданням було з’ясувати, чи може взагалі розвиток відбуватися в космічному кораблі і як на нього впливають неминучі фактори польоту – перевантаження і вібрації.
З цією метою були поставлені попередні модельні досліди, на яких досліджувався окремо вплив перевантажень і вібрації на розвиток різних зародків і на різних стадіях. Було показано, що ті прискорення і вібрація, якими супроводжуються зліт і посадка, не роблять помітних ушкоджуючих впливів.
Наступним кроком роботи були досліди на космічних кораблях. Одним з перших досліджених нами об’єктів були яйця паразитичних черв’яків – нематод. Вони виявилися зручними в цілому ряді відносин і насамперед тому, що здатні жити в дуже широкому діапазоні температур. Це дозволяє доставляти на борт космічного корабля охолоджені, не розвинені яйця. В умовах польоту при нормальній температурі вони проходять певні стадії розвитку, а після спуску їх знову охолоджують і в такому вигляді привозять в лабораторію. Там можна спостерігати, як проходить їх розвиток після польоту.
Автор: А. Нейфах.