После установления основных понятий из области физиологии развития обратимся к изучению закономерностей и физиологических основ роста.
Процесс новообразования элементов структуры организма становится легко поддающимся количественному учету, когда он приводит к увеличению веса или размеров растущего живого образования. Выше мы достаточно останавливались на том, как ошибочно отождествлять наличие процесса роста с изменениями этого рода при построении основных понятий физиологии развития. Но при отборе экспериментальных данных для формулировки количественных закономерностей роста приходится пользоваться лишь данными по изменению веса или размеров при росте. Количество числовых материалов этого рода, относящихся к росту животных, растений и человека, необъятно велико. Формулировка основных математических закономерностей процесса роста наталкивается на значительные, пока еще непреодолимые, трудности, но уже давно Ю. Саксом (Sachs, 1873) установлен общий характер кривых роста. На основании проводившихся в Вюрцбурге Саксом и его учениками измерений скорости роста в длину растительных органов им было формулировано положение о большом периоде роста, выражаемом S-образной кривой, и о соответствующей параболической кривой прироста. В дальнейшем при широком размахе, который приобрели исследования по росту, в ряде стран на бесчисленном количестве примеров была подтверждена закономерность роста, установленная Саксом.
Так, в работе Риппеля (Rippel, 1925) установлена такая же сигмоидная кривая количества выделенной углекислоты в процессе спиртового брожения; ход спиртового брожения обусловлен ходом роста культуры дрожжей.
При бедности биологии обобщениями, охватывающими весь органический мир, значение универсально приложимого положения Сакса о большом периоде роста является особенно крупным. Не будет преувеличением сказать, что представления Сакса о росте организмов — один из наиболее хорошо обоснованных и важных биологических принципов. Естественно поэтому попытаться вскрыть общие черты физиологических процессов,
лежащих в основе изменений, протекающих по одной и той же схеме для всех живых существ.
При этих попытках объяснить общий ход кривых роста организмов мы можем пойти по одному из двух путей. Во-первых, можно отыскать процессы, ход которых выражается аналогичными сигмоидными кривыми, и заключить о внутреннем сходстве процессов роста и процессов, привлеченных для их объяснения. Во-вторых, можно, исходя из теоретических представлений о сущности роста, составить гипотезу, приводящую к математическому выражению, являющемуся уравнением сигмоидной кривой большого периода роста. Очевидно, что логически надо отдать предпочтение второму пути, ибо, следуя по первому пути, мы можем оказаться в плену чисто внешних случайных аналогий. Второй путь может привести нас прямо к решению поставленной задачи и дать возможность проверить правильность наших представлений о росте.
Исторически, к сожалению, большой дорогой исследований по физиологии роста оказался первый путь, а второй путь — это едва начатое разработкой направление исследований. Такое положение сложилось, вероятно, прежде всего, благодаря успеху работ Робертсона (Robertson, 1923) по физиологии роста. В своей книге «Химические основы роста и старения» еще в 1923 г. он указал на сходство кривых, по которым протекает накопление продуктов мономолекулярной автокаталитической реакции, с сигмоидными кривыми роста. Действительно, это сходство весьма велико, но тем не менее вывод об общности существа процессов изменения размеров или веса организмов и мономолекулярной автокаталитической реакции очень трудно приемлем.
Основной трудностью для принятия этого вывода является сохранение кривыми роста своего характера даже при неограниченном снабжении растущего организма питательными веществами.
Ведь в кривой мономолекулярной автокаталитической реакции экспоненциальная ветвь является выражением процесса автокатализа реакции ее продуктом, а логарифмическая ветвь — выражением падения скорости реакции из-за исчерпания запасов вещества, способного к превращению. Но как указывалось выше, даже при наличии неиспользованных питательных веществ мы сталкиваемся с логарифмической ветвью кривой роста и с остановкой роста. Очевидно, они не могут быть объяснены израсходованием веществ, служащих материалом для роста, и причину замедления и остановки роста следует искать не в условиях, приводящих к снижению скорости и остановке мономолекулярной автокаталитической реакции.
Второе затруднение, встречаемое при допущении внутреннего сходства процессов роста с мономолекулярными автокаталитическими реакциями, может быть сравнительно легко устранено. Это затруднение состоит в том, что аналогия цепи разнообразных и притом сложных химических реакций, лежащих в основе изменений веса или размеров организма, с простейшей из возможных реакций — мономолекулярным превращением — маловероятна. Но можно, конечно, как это предлагает Робертсон, допустить, что реакцией, ограничивающей скорость разнообразных превращений, является у всех организмов одна и та же мономолекулярная реакция. Благодаря тому, что реакция, определяющая скорость роста в целом, является одной и той же у всех организмов, печать действия этой реакции («master’s reaction»), носит процесс роста у всех живых существ. Такое допущение не только вполне возможно, но, как мы увидим ниже, есть основания считать его очень вероятным и поэтому второе из указанных выше затруднений мы можем считать устраненным. Но как обойти первое затруднение, как объяснить замедление и остановку роста при автокаталитическом характере реакции, определяющей скорость роста, и при наличии неисчерпанных веществ, нужных для роста?
Для устранения этого затруднения Робертсону пришлось сделать дополнительно допущение о наличии процесса взаимодействия автокаталитически действующих продуктов роста. При этом, как предполагает Робертсон, в результате реакции второго порядка возникают вещества, тормозящие рост. Математически это допущение Робертсона приводит к следующему уравнению.
При интегрировании оба выражения приводят к уравнению одного и того же вида, и таким образом дополнительное допущение Робертсона не вводит трудностей в использование его уравнения роста как расчетного выражения. Но нас интересует сейчас не оценка уравнения Робертсона как выражения, отвечающего сигмоидной кривой роста, а анализ гипотезы, положенной в основу уравнения. Мы видели, что основное допущение об автокаталитическом характере кривых роста основывалось на чисто внешнем сходстве кривых роста и кривых хода автокаталитических реакций первого порядка. Что же является реальной основой допущения о тормозящем действии продуктов роста?
Робертсон считает, что имеется ряд фактов, свидетельствующих о задержке роста, вызываемой накоплением продуктов роста, и он приводит в своей книге данные, свидетельствующие о подобном действии веществ, накапливающихся при росте. Необходимо, однако, напомнить, что ведь в ряде случаев (и о них Робертсон также упоминает в своем труде, например, в главе о росте простейших) продукты обмена, возникающие в культурах, ускоряют рост. Следовательно, знак действия продуктов обмена веществ при росте различен, и было бы совершенно произвольно для объяснения общего у всех организмов замедления и остановки роста привлекать тормозящее действие продуктов роста. Можно считать поэтому, что уравнение Робертсона, дающее в ряде случаев значения для хода кривой роста, хорошо совпадающие с найденными значениями, лишено теоретической основы. Его приходится принимать как эмпирическое уравнение, практическая ценность которого в сильной степени умаляется необходимостью для его применения заранее знать две величины. Знание этих двух величин уже предполагает столь достаточное представление о ходе кривой роста, что пользование уравнением Робертсона может представить интерес лишь как средство определения значения ряда промежуточных точек. Таким образом, применение уравнения Робертсона для биолога имеет значение лишь приема, экономизирующего описание хода кривой роста.
Уравнение Робертсона было использовано при изучении роста ряда животных и растении и оказалось вполне пригодным для тех ограниченных целей, о которых мы упоминали выше. Однако успехи в его применении не могут ни в коей мере придать этому выражению значение математической формулировки, помогающей познать сущность изучаемого явления. Поэтому мы обратимся сейчас к рассмотрению результатов теоретических исканий, направленных иным путем, а именно, попыток математически выразить гипотезы о сущности роста.
Таким путем в свое время пошел английский исследователь Блэкман (Blackman, 1919), и его попытка представляется нам чрезвычайно интересной и плодотворной. В своей небольшой статье он совершенно правильно формулирует представление о росте организмов как процессе, протекающем аналогично увеличению капитала по уравнению сложных процентов. Следовательно, если при данных условиях питания и прочих условиях внешней среды организм обладает способностью в единицу времени увеличивать свою массу или размер на определенную долю первоначальной величины, то в такой же мере эту способность мы должны приписать и возросшей массе. Математически это представление о присущей организму в данных условиях способности к новообразованию приводит к следующему выражению, где буквенные обозначения сохраняют те же значения, как и в приведенных выше уравнениях.
К сожалению, однако, уравнение Блэкмана имеет весьма ограниченную приложимость. Для того чтобы убедиться в этом, нет нужды обращаться к просмотру, экспериментальных данных. Совершенно очевидно, что, согласно уравнению Блэкмана, прирост растет вместе с ростом организма, но ведь общая закономерность, установленная большими кривыми роста Сакса, носит совершенно иной характер. Возрастание прироста имеет место лишь на протяжении части сигмоидной кривой роста. Поэтому, если и имеет смысл производить проверку приложимости уравнения Блэкмана, то лишь для соответствующей части кривых роста. Правда, в разгаре полемического азарта, вскоре после появления статьи Блэкмана, Кидд, Вест и Бриггс (Kidd, West and Briggs, 1920), пользуясь данными по росту карликовой и нормальной форм подсолнечника, проверяли приложимость уравнения.
В сущности этот результат очевиден и без расчетной проверки. Совершенно ясно, что рост по уравнению протекает по экспоненциальной кривой и характеризуется неуклонно возрастающим приростом. В тех случаях, где этого не наблюдается и обнаруживается остановка увеличения прироста при продолжающемся росте или происходит уменьшение прироста, уравнение Блэкмана неприложимо. Для этого заключения нет нужды проверять постоянство величины r по приведенной формуле. Поэтому приходится сделать следующий вывод: рациональное уравнение роста, основанное на вполне продуманной и правильной гипотезе о природе этого процесса роста, оказывается имеющим весьма ограниченное применение к типичным сигмоидным кривым роста. Приложимость этого уравнения ограничивается экспоненциальными ветвями S-образных кривых роста.
Этот вывод естественно вызывает вопрос: как сильно развита экспоненциальная часть у кривых роста?
При просмотре результатов исследований по росту различных организмов мы обнаруживаем очень большое разнообразие кривых роста в отношении интересующего нас признака. В начале своих исследований по росту Робертсон, по-видимому, считал, что симметричные сигмоидные кривые с одинаковой протяженностью экспоненциальных и логарифмических ветвей являются типическими кривыми роста. Впоследствии он отказался от этого взгляда, и действительно, знакомясь с громадным фактическим материалом исследований, мы находим как случаи, когда кривые роста почти на всем протяжении представлены экспоненциальными ветвями, так и случаи полного выпадения экспоненциальных частей кривых роста. Ближайшее ознакомление с имеющимися опытными данными позволяет совершенно определенно классифицировать эти случаи.
Преобладанием экспоненциальных ветвей характеризуются кривые роста микроорганизмов и эмбриональных образований у животных и растений. В качестве примера можно привести данные из работы Карлсона (Carlson, 1913) по росту дрожжевой культуры.
Мы видим, что на протяжении Промежутка, за который происходит очень большое возрастание и числа и веса дрожжевых клеток, величина r остается почти постоянной. Следовательно, за период, достаточно длительный по сравнению с продолжительностью жизненного цикла данного организма, рост идет по уравнению Блэкмана. Величина r обнаруживает совершенно удовлетворительное постоянство.
Рассмотрим другой пример, относящийся к росту репродуктивных органов хлопчатника. В этом примере, заимствованном нами из работы Биддэлфа и Брауна (Biddulph, Brown, 1945), также имеет место очень значительное увеличение веса растущего органа. На всем протяжении времени, в течение которого производился учет, кривая роста носит характер типической экспоненциальной кривой.
Ограничимся этими двумя примерами, хотя число их было бы нетрудно увеличить, а обратимся к рассмотрению вопроса о причинах, определяющих особенности кривых роста в приведенных случаях. Клетки многих микроорганизмов характеризуются одной очень существенной отличительной чертой — высоким содержанием нуклеопротеидов. Аналитические определения, например анализы А. Н. Белозерского (1939, 1941, 1949), показали, что оно достигает 50—60% на сухой вес клеток бактерий. Эта величина даже в период минимального содержания нуклеопротеидов в бактериях, что имеет место в конце периода роста, не падает ниже 20%. Такой особенностью химического состава отличаются и клетки других микроорганизмов, для роста которые установлены кривые с преобладанием экспоненциальных ветвей.
Эмбриональные образовании животных и растений также отличаются по своему химическому составу от тканей и органов взрослых организмов высоким содержанием, нуклеопротеидов. Так, по данным А. Н. Белозерского и М. С. Успенской (1942), в зародышах семян растений содержание нуклеопротеидов достигает примерно столь же большой величины, как и в клетках бактерий. Например, в зародышах семян кедра обнаружено около 32% нуклеопротеидов на сухой вес зародыша. Интересно отметить, что пока данное образование носит эмбриональный характер, высокое содержание нуклеопротеидов оказывается в нем довольно устойчивым и не опускается до незначительных величин, обнаруживаемых в органах, закончивших рост.
Рассмотренные нами примеры представляют собой типические случаи, что позволяет нам сделать заключение общего характера: рост клеток и организмов, имеющих высокое устойчивое содержание нуклеопротеидов, идет по экспоненциальным кривым, т. е. протекает по уравнению Блэкмана. Вдумываясь в сущность представлений Блэкмана о росте; мы можем подойти к пониманию того, почему имеет место отмеченное выше соотношение между характером кривых роста и высоким устойчивым содержанием нуклеопротеидов в растущем объекте.
Выше мы формулировали гипотезу Блэкмана о росте, выраженную в уравнении, как представление о саморазмножении живого. Несомненно, что химический состав даже просто организованных существ, как клеток микроорганизмов, отличается сложностью и многообразием веществ. При росте, связанном с образованием новых клеток и увеличением веса, происходит новообразование молекул всех тех разнообразных химических соединений, которые входят в состав клеток. Спрашивается, можем ли мы всему набору этих веществ приписать способность к «саморазмножению живого»? Можем ли мы приписать молекулам любого органического вещества, новообразующегося при росте, способность такого же участия в этом процессе, каким характеризуется в целом масса живого организма?
Ответ на этот вопрос не представляет затруднений. Очевидно, вещества, возникающие при росте, совершенно неравноценны как основа дальнейшего процесса новообразования живого. Поэтому представление Блэкмана о приложимости к росту закономерности возрастания капитала по формуле сложных процентов оказывается, вообще говоря, непригодным. Оно применимо лишь при том условии, что по химическому составу масса растущего органического образования остается неизменной при росте. Очевидно, что если при росте клетки, первоначально имеющей тонкую оболочку, в значительной мере импрегнированную белками и липоидами, происходит отложение значительных толщ целлюлозы, то в химическом составе организма возрастает доля, составляемая веществом, не принимающим непосредственного участия в росте. Но значит вместе с этим отпадает и основное условие, определяющее приложимость уравнения. Прирост не может быть пропорциональным массе, в которой вещества, пассивные в новообразовании живого, играют все возрастающую роль. Нетрудно сделать приведенное заключение по отношению к целлюлозе, как одному из веществ, представляющих в клетке пассив роста. Значительно труднее указать, какие же вещества являются носителями способности растущих органических образований к саморазмножению живого. Обращаясь к перечню химических соединений, известных нам как составные вещества протоплазмы, мы, конечно, исключим из этого перечня сахара: аминокислоты, амиды, органические кислоты, жиры. Роль этих веществ, как материалов, используемых “при новообразовании элементов структуры организма, громадна, но все же любое из этих соединений возникает как продукт жизнедеятельности, связанной прежде всего с белкового-липоидными образованиями клетки. Поэтому в поисках веществ, обеспечивающих поддержание способности клетки к росту, являющихся активом роста, естественно сосредоточить внимание на протеинах и протеидах. Но и эта обширная группа веществ оказывается представленной соединениями, весьма различными по химическому составу и совершенно неравноценными по физиологическому значению. Наряду с запасными белками мы встречаемся здесь с высокоактивными нуклеопротеидами, определяющая роль которых в процессах синтеза белков, роста и размножения может считаться достаточно установленной.
Нуклеопротеиды являются единственной группой веществ, обладающих удивительной способностью, образно называемой способностью к «размножению молекула. Так для вирусных нуклеопротеидов установлено новоооразование молекул, когда в соответствующую живую среду вводится некоторое исходное количество вируса. Изучение процессов размножения позволяет заключить о новообразовании молекул нуклеопротеидов хромосом. Наконец, исследования, проводившиеся за последнее время при помощи разных методов, как-то: гистохимическим методом, методом изучения спектров поглощения клеток в ультрафиолетовых лучах (Caspersson, 1947), показывают, что процессы синтеза белков вообще находятся в непосредственной зависимости от нуклеопротеидов. Субмикроскопические элементы клетки, ее микросомы, являются нуклеопротеидными образованиями. В микросомах происходят процессы обмена веществ, приводящие к накоплению в растущей клетке ряда соединений. Поэтому приходится заключить, что из всего многообразия органических веществ, образующихся при росте, надо выделить нуклеопротеиды. Именно нуклеопротеидам мы можем приписать эту способность к саморазмножению живого, именно с ними можно связать представление о росте по уравнению сложных процентов.
Процесс роста будет протекать по уравнению Блэкмана, если даже нуклеопротеиды и будут составлять небольшую, но устойчивую по величине часть от всего прироста. Однако имеющиеся в литературе данные позволяют заключить, что значение К по мере роста неуклонно и в ряде случаев
быстро, уменьшается. Следовательно, величина прироста падает, уменьшаясь по истечении некоторого времени до нулевого значения, и тогда рост останавливается. Прямых определений, устанавливающих изменения количества нуклеопротеидов в приросте веществ за известное время, насколько нам известно, не проводилось, но убедительные данные косвенного характера свидетельствуют об уменьшении значения n при росте. Если бы величина n не изменялась при росте, то содержание нуклеиновых кислот оставалось бы неизменным. Между тем и гистохимические реакции на нуклеиновую кислоту, и количественные аналитические определения свидетельствуют об уменьшении содержания рибонуклеиновой кислоты как следствии роста, Пользуясь обозначенными выше данными, мы можем сказать, что при росте происходит падение величины п. Благодаря этому происходит уменьшение величины прироста, и уравнение роста, данное Блэкманом, оказывается имеющим ограниченное приложение.
На основании изложенных выше данных и гообпяжений становится ясным, почему именно эмбриональные образования клетки микроорганизмов с их устойчивым высоким содержанием нуклеопротеидов растут по экспоненциальным кривым, отвечающим уравнению Блэкмана. В жизненном цикле клеток и организмов существуют периоды, когда начинающие рост молодые образования имеют высокое и устойчивое содержание нуклеиновых кислот. На протяжении этих периодов кривые роста следуют уравнению Блэкмана. Но в дальнейшем процесс новообразования нуклеиновых кислот отстает от процесса новообразования других веществ, образующихся при росте; происходит снижение содержания нуклеопротеидов и уменьшение прироста. На основе указанного отставания синтеза нуклеопротеидов от других биосинтезов и падающей величины прироста возникает логарифмическая ветвь кривой роста.
Такова физиологическая основа общего характера кривых роста и ограниченности приложения рационального уравнения роста Блэкмана. Данное нами объяснение, естественно, порождает вопрос о возможном разнообразии кривых роста при различных условиях питания организмов, когда могут складываться различные соотношения скоростей синтеза нуклеиновых кислот и других веществ, образуемых при росте. Естественно заключить, что при разном световом режиме, различной обеспеченности элементами минерального питания, разном возрастном состоянии можно ожидать различий в ходе кривых роста. Высказанное нами положение может быть формулировано в более определенной форме как теоретическое ожидание, оправдываемое результатами опыта.
Ни механизм, ни ближайшие условия процессов синтеза нуклеиновых кислот нам пока неизвестны, но тем не менее мы можем заключить, что эти вещества образуются тогда, когда синтетическая деятельность организма протекает достаточно интенсивно. Одним из основных условий, определяющих процессы синтеза ряда сложных органических веществ и в том числе белков, является свет. Поэтому можно ожидать, что при низкой освещенности, когда из-за недостатка света окажутся замедленными процессы синтеза многих сложных органических веществ, будет задержан и процесс образования нуклеиновых кислот. В соответствии со всеми развитыми выше соображениями об основах экспоненциального роста надо ожидать, что при низкой освещенности в кривых роста укоротится или вовсе выпадет экспоненциальная часть S-образных кривых. Опыт полностью подтверждает это ожидание.
Английский физиолог Грегори (Gregory, 1921) изучал рост листьев у огурца (Cucumis sativus) при различных условиях освещения. Он определял площадь листовых пластинок отдельных листьев и в целом всей листовой поверхности путем ежедневных промеров листьев. Опытные растения выращивались на естественном свете в июне или при искусственном освещении одной или двумя лампами в 1500 св.
Различие между кривыми оказывается разительным. При выращивании растений на естественном свете — это типичная экспоненциальная кривая, следующая уравнению Блекмана. При выращивании растений на искусственном свете, кривая роста приобретает совершенно иной характер — это логарифмическая кривая. Результаты опытов Грегори полностью соответствуют развитым выше соображениям и могут считаться экспериментальным подтверждением изложенных представлений о механизме роста.
Помимо освещенности как основного фактора биосинтезов зеленых автотрофных растений можно указать другой фактор не менее общего и мощного значения — возраст организма. По мере старения наблюдается понижение синтетической деятельности, которое выражается в падении содержания не только нуклеопротеидов, но и белков вообще. Поэтому естественно ожидать, что кривые роста поздно появляющихся листьев характеризуются иным соотношением экспоненциальных и логарифмических ветвей, чем это имеет место на кривой роста листьев молодого растения. Листья, появляющиеся на побеге после образования им значительного количества узлов, должны расти по кривым с очень сильно развитыми логарифмическими ветвями и с соответственно укороченными экспоненциальными частями. Таков вывод теоретической концепции о росте, изложенной нами выше. Опытные данные находятся в полном согласии с этим выводом.
В цитированном выше исследовании Грегори имеются интересные результаты измерения роста листовых пластинок последовательно появляющихся листьев на побеге огурца. Лишь некоторые листья дают типичные S-образные кривые увеличения площади. Но первые листья, появляющиеся на побеге, и листья, заканчивающие ряд, имеют совершенно необычные кривые роста. В них очень хорошо выражены логарифмические ветви и очень слабо представлены экспоненциальные части.
Приведенные примеры позволяют нам сделать одно заключение общего характера: сигмоидные кривые роста с более или менее симметрично развитыми логарифмической и экспоненциальной ветвями удается обнаружить лишь при наличии благоприятных условий для сложных биосинтезов. При отсутствии условий для новообразования нуклеиновых кислот, поддерживающего их содержание на стабильном уровне, рост не идет по уравнению Блэкмана; прирост падает вплоть до остановки роста.
В связи с рассматриваемыми нами фактами представляет большой интерес изучение роста растений в темноте из семян, обеспеченных достаточными запасами питательных веществ. Изучение роста в этих условиях проводили американский биолог Эдвардс и его сотрудники (Edwards, Pearl, Gould, 1934). Они выращивали в стерильной культуре из стерилизованных семян проростки дыни (Cuctimis melo) и других тыквенных, причем корневые системы проростков находились в агаре, тщательно отмытом от солей. Сосуды с проростками выдерживались в абсолютной темноте при различных температурах.
В такой обстановке происходило значительное и быстрое удлинение гипокотилей, но рост оказывался ограниченным. По истечении некоторого периода рост останавливался, в верхней изогнутой части гипокотиля возникал бурый участок, превращавшийся в большой некротический участок, и проросток погибал. Эти остановки роста и гибель проростков наступали через различное время от начала прорастания, но примерно при достижении проростками одной и той же длины. Можно было бы приписать остановку роста и гибель проростков световому голоданию и истощению запасов питательных веществ. Но оказалось, что рост останавливается, когда половина питательных веществ семядолей еще не израсходована. Таким образом, самое простое предположение об истощении как причине остановки роста растений в опытах Эдвардса приходится отвергнуть. Очевидно, в данном случае имели место не только замедление, но и полная остановка синтеза нуклеиновых кислот, что и повлекло за собой остановку роста. В соответствии с развитыми выше соображениями эти остановки роста действительно должны были наступить, если только прекратилось новообразование нуклеиновых кислот.
До сих пор мы занимались рассмотрением результатов работ по росту, в которых этот процесс учитывался по изменениям, протекавшим в громадном количестве клеток. Очевидно, что размер листовой пластинки изменится заметным образом лишь в тех случаях, если соответствующее увеличение размеров охватит очень большое число клеток. Но, основываясь на данных микроскопических измерений, мы позволяем себе делать заключение о новообразовании не только микроскопических, но и субмикроскопических элементов структуры организма. Представления о синтезе макромолекул нуклеопротеидов мы проверяли результатами опытов, устанавливавших ход кривых роста при различных условиях питания. Несмотря на совпадение выводов развитой выше теоретической концепции с данными наблюдений над ростом, естественно возникает желание другим путем проверить правильность изложенных представлений о росте и о значении нуклеопротеидов в этом процессе. Этот другой путь представляют микроскопические наблюдения над изменением соотношения частей клетки при росте, гистохимическое изучение растущей клетки и, наконец, установление изменений химического состава при росте. Обратимся к краткому рассмотрению результатов исследований по указанным трем направлениям.
Начнем с данных микроскопических наблюдений над изменениями соотношения частей клетки при росте. В связи с развитыми выше соображениями о ведущей роли нуклеопротеидов в процессе роста нас, естественно, будет интересовать вопрос о соотношении ядра и протоплазмы в растущей клетке. Но прежде чем обратиться к данным, освещающим этот вопрос, необходимо сделать несколько оговорок.
В работах ряда биологов мы находим данные по измерению объема ядра и клетки в целом. Но ведь для процесса роста имеет значение, очевидно, не только масса нуклеопротеидов, сосредоточенная в ядре, но прежде всего нуклеиновая кислота и нуклеопротеиды протоплазмы. Можно ли для установления обеспеченности нуклеиновыми кислотами клетки в целом делать критерием этой обесйеченности размер ядра?
Часто увеличение размера ядра связано с возрастанием количества рибонуклеиновой кислоты в плазме клетки и сопровождается значительным изменением объема клетки. При действии колхицина или других агентов, вызывающих полиплоидию и, следовательно, увеличение количества дезоксирибонуклеиновой кислоты, сильно возрастает размер клеток. Обратимся к рассмотрению величины соотношения ядра и протоплазмы в процессе нормального роста клеток растений.
В имеющихся исследованиях нет данных по измерению массы ядер, а есть лишь данные по измерению объема ядер, что очевидно, не одно и то же. Известно, что ядро может изменять степень набухания, объем его может изменяться за счет ядерного сока; но все же значительные различия в объеме ядер, превышающие во много раз исходный объем, можно отнести за счет изменений ядерной массы. Сделав эти оговорки, обратимся к рассмотрению данных, полученных итальянским ученым Тромбетта (Trombetta, 1939) при его обстоятельных исследованиях по установлению величины отношения объем ядра/объем клетки в растущих клетках.
Мы сталкиваемся с картиной чрезвычайно сильно выраженного отставания роста ядра от роста
клетки в целом. Благодаря более быстрому возрастанию объема клетки величина отношения (ядро/клетка) падает за время роста клеток паренхимы с 0,1 до 0,003. Уменьшение величины отношения (ядро/клетка), неуклонно идущее вплоть до остановки роста клетки, находится в полном соответствии с развитыми выше соображениями о механизме роста.
Представляется весьма интересным остановиться на рассмотрении того, в какой мере закономерно падает обеспеченность клетки нуклеопротеидами, если в качестве критерия этой обеспеченности использовать величину отношения (ядро/клетка). В связи с поставленным выше вопросом перед нами поэтому встает задача установления закономерности изменения соотношения частей растущего целого. В данном случае, целым является клетка, а частями — ядро и протоплазма. До появления в 1932 г. интересной работы английского зоолога Гекели (Huxley, 1932) биологи могли при изучении изменений соотношения частей растущего органического образования лишь фиксировать путем измерений эти меняющиеся значения. Гекели предложил так называемое уравнение относительного роста, позволяющее уложить эти изменения в простое выражение. Оно имеет следующий вид:
У = bxk,
где У — вес, размер или иной количественный признак, характеризующий целое; х — вес, размер, или иной признак, характеризующий часть; b — константа, представляющая значение у при х = 1; k — константа, именуемая «показатель относительного роста».
Знакомясь с уравнением относительного роста, нетрудно заключить, что в случае сохранения при росте постоянного отношения целого и части величина k = 1; это значение k сохраняет в некоторых случаях на протяжении измеримого промежутка времени. Но, как правило, при изучении роста мы встречаемся с тем, что величина k существенно отличается от единицы, превышая эту величину, если часть на протяжении изучаемого периода растет быстрее целого. Если же часть, отставая в росте от целого, составляет все уменьшающуюся долю целого, то величина k меньше единицы. При изучении роста на протяжении длительных периодов приходится сталкиваться обычно с тем, что k меняет свое значение, оставаясь константой лишь для определенных этапов в жизненном цикле организма.
В цитированном выше труде Гекели приводится обширный цифровой материал данных по росту, использованных для проверки приложимости уравнения относительного роста. Соответственно специальности Гекели этот материал в подавляющем большинстве относится к росту животных. Лишь единичные примеры взяты из ботанических работ. Уравнение относительного роста оказывается хорошо приложимым ко всем материалам, использованным Гекели.
Простым способом проверки приложимости уравнения относительного роста может служить графический способ. Если прологарифмировать уравнение относительного роста, то мы получаем выражение:
logy = log 6 + k logx
являющееся уравнением линейной зависимости между логарифмами значений х и у. Поэтому, если при изображении в системе прямоугольных координат обнаруживается прямолинейная зависимость logy от logx, то можно считать уравнение относительного роста приложимым.
Уравнение относительного роста оказывается хорошо приложимым и к рассматривавшемуся выше случаю изменения соотношений объемов ядра и клетки в целом в процессе роста. При расчете значений b и k в уравнении по способу наименьших квадратов, что служит более точным способом проверки приложимости уравнения относительного роста, Тромбетта для приведенных выше измерений пришел к следующему выражению: Y = bх0,38
Для клеток других растений в иных тканях и органах были получены значения k от 0,12 у Bryophyllum в период митотической деятельности до 0,82 в клетках корней крупной расы подсолнечника. Несмотря на разнообразие значений k, во всех случаях они меньше единицы и чаще всего равны примерно 0,7. Следовательно, во всех изученных растениях, во всех органах и тканях имеет место отставание роста ядра от роста протопласта. Принимая сделанные выше оговорки о приближенности вывода, мы можем заключить, что при росте происходит уменьшение содержания нуклеопротеидов.
Это заключение может быть подтверждено прямыми данными гистохимических реакций на нуклеиновые кислоты, производившихся различными авторами. Так, например, Б. В. Кедровский и К. П. Трухачева (1948) определяли содержание рибонуклеиновой кислоты в клетках точек роста и в дифференцированных, закончивших рост, клетках корней высших растений. Во всех случаях клетки меристемы отличались более высоким содержанием рибонуклеиновой кислоты.
Очень убедительным доказательством зависимости процессов роста протопласта от содержания нуклеиновых кислот в протоплазме является изменение этой величины при возобновлении роста клетки, временно остановившей рост. Так, известно, что клетки раковых опухолей характеризуются очень интенсивным неудержимым ростом, вспышка которого возникает в клетках, уже закончивших и увеличение размеров и дифференцировку. В соответствии с развитыми выше представлениями о значении содержания нуклеопротеидов как основного фактора, определяющего скорость роста, надо ожидать, что клетки раковых опухолей характеризуются повышенным содержанием нуклеиновых кислот. Опыт подтверждает это заключение. Г. И. Роскин и его сотрудники (Роскин и Харлова, 1944), применяя гистохимические методы обнаружения нуклеиновых кислот, обнаружили значительное обогащение клеток раковых опухолей этими веществами.
Наконец, можно обратиться к данным непосредственных химико-аналитических определений содержания нуклеиновых кислот в клетках, закончивших рост, и в энергично растущих клетках меристем и эмбриональных тканей. Ввиду значительных методических трудностей определения этих веществ, в литературе имеется сравнительно немного данных, характеризующих изменения содержания нуклеиновых кислот при росте.
Но во всех случаях отмечалось, что быстро растущие клетки меристем, эмбриональных тканей и вообще клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста богаче нуклеиновыми кислотами, чем клетки, закончившие рост. Количественно эти различия достигают очень значительных величин. Так, например, по данным А. Н. Белозерского и М. С. Успенской (1942), в ткани зародыша кедра нуклеопротеиды составляют около 32% сухого веса, а в органах растений, закончивших рост, например, в хвое кедра, соответствующая величина меньше 10% и, вероятно, не превышает 5%. Клетки ряда микроорганизмов отличаются очень быстрым ростом, протекающим, как мы видели выше, длительное время по экспоненциальным кривым. В этих клетках в период интенсивного роста содержание нуклеопротеидов достигает 50—60%. Оно падает в клетках старых культур с затухающим ростом до величины 20—30% (Белозерский, 1941).
К заключению об определяющей роли нуклеопротеидов клетки как факторов роста можно подойти совсем другим путем, впервые открытым русским ученым И. И. Герасимовым (1901). Изучая действие временного понижения температур, наркотиков на нити спирогиры с делящимися клетками, Герасимов заметил, что указанные воздействия вызывают нарушения в нормальном течении митозов. Одно из этих нарушений заключалось в том, что начавшие расходиться дочерние ядра под влиянием охлаждения или наркотика не расходились друг от друга, а клеточная стенка между дочерними клетками все же образовывалась. Это приводило к возникновению клетки, вовсе лишенной ядра, и клетки, имевшей двойную ядерную массу. Первая в дальнейшем не росла, а вторая, обеспеченная двойным ядром, сильно обгоняла в росте нормальные клетки. Герасимов провел свое замечательное исследование с исключительной вдумчивостью и обстоятельностью.
На протяжении более четверти века опыты Герасимова быль единственным примером искусственного воздействия на клетку, приводившего к увеличению массы ее ядра в кратное число раз. Но начиная с 1934 г. изучение получения таких полиплоидных клеток привлекло внимание ряда исследователей. Наряду с воздействием временного охлаждения, травматического повреждения тканей, вызывавших появление полиплоидных ядер, что представляло в сущности лишь развертывание исследований Герасимова, были найдены новые методы экспериментального получения полиплоидов. Они состояли в обработке объекта растворами алкалоида (колхицина). Эффективность этого воздействия оказалась чрезвычайно высокой. Получение полиплоидов технически стало очень простым делом. Но результаты были далеко не столь просты, как в опытах Герасимова. Как мы видели выше, в опытах этого исследователя удалось установить совершенно отчетливые и однообразные отношения между массой клеточных ядер и размером клеток спирогиры. Если бы это же имело место и у полиплоидов, получаемых при действии раствором колхицина на семена или цветки высших растений, то надо было бы ожидать гигантизма полиплоидных форм.
Оказывается, что в некоторых случаях действительно удается наблюдать и очень большое увеличение размеров отдельных клеток, ставших полиплоидными, и гигантизм растений в целом. Микрофотографический снимок из работ Дермена (Dermen, 1938) хорошо иллюстрирует возникновение гигантских клеток волосков тычиночных нитей традесканции.
Эти картины громадного разрастания клеток полностью совпадают с эффектом действия увеличенной ядерной массы на рост клеток, впервые наблюдавшимся Герасимовым. Очевидно, такой эффект оказывается ограниченным клетками отдельных органов или не имеет общего и закономерного характера, так как среди большого числа полиплоидных форм высших растений далеко не все выделяются гигантизмом. Правда, удавалось действием колхицина на растения вызывать появление форм, отличающихся очень крупными размерами всех органов и очень высоким урожаем. Так, например, В. В. Сахарову, С. Л. Фроловой и В. В. Мансуровой (1944 а, б) удалось получить полиплоидный сорт гречихи, заслуженно получивший название Богатырь. В большом растении, достигающем высоты до 1,5 м, со стеблем толщиной до 1 см, с большим урожаем семян, превышающих по весу в несколько раз семена исходного растения, просто трудно узнать типичную гречиху. Описаны весьма крупные по размерам листьев и других органов полиплоидные растения табака, махорки и других видов. Но известны и случаи получения полиплоидов, отнюдь не выделяющихся своими размерами.
Последние факты нельзя рассматривать как опровержение развитой выше концепции о зависимости процесса роста клетки от массы нуклеопротеидов, так как деятельным в процессе роста и обмена веществ клетки может быть не весь наличный запас нуклеиновых кислот, а лишь его часть. Если по каким-либо условиям возросшая ядерная масса полиплоида не приведет к сильному обогащению протоплазмы нуклеиновой кислотой, то полиплоид не будет отличаться от обычной формы своими размерами. Очевидно, в этом направлении надо искать объяснение того факта, что действие полиплоидии на увеличение размеров клетки, органа и организма сказывается далеко не всегда.