Возьмем в качестве объекта одноклеточное сферическое образование — спору хвоща или яйцеклетку водорослей сем. Pucaceae.
В процессе прохождения жизненного цикла из них возникнут многоклеточные более или менее расчлененные образования, характеризующиеся наличием определенной оси полярности или дорзивентральностью. Первое имеет место у водорослей Fucaceae, второе — при образовании заростка хвоща или споры. Но и в том и в другом случае возникают различия между частью организма, обращенной к субстрату и дающей ризоиды, и частью, дающей начало ассимилирующим органам. Анатомо-морфологическое изучение развития этих объектов показывает, что ориентировка оси полярности развивающегося организма в указанных случаях определяется уже первым клеточным делением.
Первое кариокинетическое деление в прорастающей споре или делящейся яйцеклетке водорослей сем. Fucaceae уже определяет направление оси полярности. Клеточная стенка, возникающая после этого первого деления, разграничивает часть организма; дающую впоследствии ризоиды, от прочих частей растения. Эта первая клеточная перегородка располагается перпендикулярно оси полярности. Поэтому мы можем заключить, что процесс, поляризующий спору или яйцеклетку и определяющий положение оси кариокинетического веретена первого митоза, имеет громадное значение для последующего развития. Процесс, устанавливающий определенным образом в пространстве делящееся ядро споры или яйцеклетки, это вместе с тем и процесс ориентировки оси полярности организма. Что же обусловливает прохождение этого процесса?
Можно допустить, что положение оси полярности уже предопределено в споре или яйцеклетке. Морфологически аполярное сферическое образование может быть уже наделено полярностью, т. е. поляризованностью физиологических свойств. Однако эксперимент заставляет отвергнуть это предположение. Споры хвоща, помещенные в темноте на твердый субстрат (на предметное стекло), прорастают во всевозможных направлениях. Этот факт можно было бы объяснить наличием поляризованности у спор хвоща, индуцируемой при формировании споры на растении. При рассеивании спор на предметное стекло они, конечно, ложатся в случайных положениях и, следовательно, должны дать при прорастании картину случайной ориентировки оси полярности.
Однако достаточно проращивать споры на предметном стекле при одностороннем освещении, чтобы сразу же обнаружилось ориентирующее действие света. У всех прорастающих спор, как это показал более полвека назад Шталь (Stahl, 1885), часть, дающая начало ризоидам, оказывается обращенной от света, а часть, дающая начало остальной части заростка, — к свету. Ось первого митоза устанавливается по направлению лучей света.
Описанные факты могут побудить к упрощенному истолкованию физиологии развития спор хвоща. Можно заключить, что столь существенный этап развития, как ориентировка оси полярности организма, происходит лишь под действием внешнего условия. В данном случае им является свет. Его, естественно, можно считать привычным раздражителем развивающегося организма, а самую реакцию — биологически целесообразной. В самом деле, ведь образование ризоидов на стороне, обращенной от света, обеспечивает целесообразное размещение места их возникновения.
Несколько поспешное и упрощенное заключение из описанных опытных данных можно формулировать так: при ориентировке оси полярности развивающегося организма имеет место целесообразная реакция организма на привычный раздражитель. Подобное заключение может быть сделано и по отношению к прохождению других моментов развития и привести к обобщенному представлению о развитии как цепи изменений, вызываемых действием привычных раздражителей на организм. Такое представление не раз высказывалось и в прошлом веке на первых порах создания физиологии развития организмов. К этой же концепции нередко и сейчас склоняется мысль биологов, ограничивающих поле зрения фактами, относящимися к отдельным растениям. Но действительные соотношения оказываются более широкими и сложными.
Яйцеклетки водорослей сем. Fucaceae, развивающиеся после оплодотворения, представляют собой исключительно удобный объект для экспериментов по физиологии развития. Эти крупные, легко доступные на морских биологических станциях сферические клетки после оплодотворения образуют наружную ослизняющуюся оболочку. При помощи этой оболочки яйцеклетка так прикрепляется к субстрату, например к предметному стеклу, что удерживается на нем даже при центрифугировании. Поэтому на яйцеклетках водорослей сем. Fucaceae легко изучать и процесс ориентировки оси полярности.
Сначала для этого объекта были установлены те же положения, что и для спор хвоща, т. е. оказалось, что одностороннее освещение — фактор ориентировки оси полярности. На стороне, обращенной от света, возникают ризоиды, на стороне, обращенной к свету, — слоевище водоросли. В результате многочисленных экспериментов удалось установить закономерности, имеющие большое и общее значение для физиологии развития растений. Оказалось, что приобретение полярности развивающимся яйцом под действием одностороннего освещения является процессом, который может проходить лишь на протяжении известного промежутка времени после оплодотворения.
Если, например, экспериментировать с яйцеклетками обычной в Черном море водоросли Cystoseira barbata, то, как показал Кнапп (Knapp, 1931), лишь на протяжении 2—2,5 час. после оплодотворения сказывается ориентирующее действие света на полярность яйца. По истечении этого периода уже не удается, даже длительно освещая яйцеклетки с одной стороны, соответствующим образом ориентировать ось полярности организма. При испытании поляризующего действия света в течение периода, когда объект на него реагирует, надо облучать яйцеклетки известное время, чтобы получить нужный эффект. Следовательно, поляризация яйцеклетки — это процесс, растягивающийся на известное время, необходимое для прохождения определенных изменений.
Чрезвычайно важным, имеющим общее значение и для других этапов развития, является одно обстоятельство. Поляризация оплодотворенной яйцеклетки заканчивается по истечении 2—2,5 час. от момента оплодотворения. Но внешне никаких изменений в яйцеклетке за это время еще не происходит. Констатировать поляризующее действие света можно лишь через 20— 24 часа, когда начинается разрастание выроста со стороны, дающей ризоиды, и яйцеклетка приобретает грушевидную форму. Следовательно, видимым, проявляющимся внешне изменениям в новообразовании элементов структуры организма предшествуют определяющие их процессы. Между моментом окончания этих процессов, предопределяющих характер дальнейшего развития, и началом видимых морфологических изменений организма протекает известный промежуток времени.
Вскоре (через 15—20 мин.) после оплодотворения яйцеклетка внешне имеет такой же вид, как и при прохождении в ней процесса поляризации под влиянием света. В дальнейшем на протяжении почти суток внешний вид и микроскопическое строение яйцеклеток не изменяются, но они приобретают способность к прохождению ряда этапов развития. Совершенно естественно, что возникает потребность определенным образом назвать изменения физиологического состояния развивающегося организма и изучить ближе содержание этих изменений.
Выше мы отмечали многовариантность развития как одну из общих черт этого процесса у растений. Если обратиться к процессу ориентировки оси полярности сферической яйцеклетки, то в данном случае число возможных положений этой оси неограниченно велико.
Под влиянием поляризующего действия света или, как мы увидим ниже, какого-либо иного внешнего фактора начнется процесс поляризации яйцеклетки. В этом процессе можно отметить две стороны: развивающийся организм лишится бесконечно большого разнообразия возможной ориентировки оси полярности — такова отрицательная сторона протекающих изменений. Но вместе с тем организм приобретет способность к формированию органов в соответствии с определенной осью полярности — это положительная сторона рассматриваемых изменений. Сжато эти изменения можно охарактеризовать как ограничения возможностей развития и приобретения готовности к прохождению соответствующего этапа развития.
Процесс, описанный нами выше, называют процессом детерминации. С ним приходится сталкиваться при физиологическом анализе прохождения любого из этапов развития. Нередко указывается, что понятие детерминации лишено достаточно отчетливого содержания. Может быть, критическое отношение к этому понятию сложилось благодаря тому, что представление о процессе, приводящем к способности пройти определенный этап развития, смешивали с состоянием организма, возникающим перед началом данного этапа развития. В дальнейшем мы будем различать прохождение процесса детерминации и приобретение готовности к развитию.
После установления указанных понятий обратимся к анализу тех черт, которыми характеризуется процесс детерминации. При этом мы используем опыты, проводившиеся различными исследователями с яйцеклетками сем. Fucaceae при изучении возникновения ориентировки оси полярности. Первый вопрос, встающий при физиологическом анализе процесса поляризации яйцеклетки — это вопрос о природе поляризующих факторов. Об одном из них — одностороннем освещении — мы уже говорили. Но является ли этот фактор специфическим?
В настоящее время мы располагаем громадным, не вызывающим никаких сомнений экспериментальным материалом для отрицательного ответа на этот вопрос. Так, если подвергнуть оплодотворенные яйцеклетки водорослей сем. Fucaceae центрифугированию, то оно окажет поляризующее действие. При этом часть, дающая ризоиды, возникнет на центробежном полюсе яйцеклетки. Если поместить оплодотворенные яйцеклетки в поле постоянного электрического тока, то образование выроста, дающего впоследствии ризоиды, произойдет со стороны, обращенной к аноду. При помещении яйцеклеток в жидкость с градиентом температуры можно наблюдать формирование выроста, являющегося основой ризоидов, со стороны, обращенной к источнику более высокой температуры.
Чрезвычайно интересно взаимное действие яйцеклеток друг на друга, приводящее к определенной ориентировке оси полярности. При наличии скоплений оплодотворенных яйцеклеток, у краевых клеток всегда можно наблюдать, что вырост, дающий затем начало ризоидам, образуется со стороны, обращенной к другим клеткам. Попытки найти объяснение этому любопытному действию скопления яйцеклеток на ориентировку оси полярности привели к очень интересным результатам.
В основе группового эффекта при ориентировке оси полярности лежит зависимость этого процесса от реакции среды. Все описанные опыты с оплодотворенными яйцеклетками, естественно, проводятся в морской воде, pH которой равен 7,7—8,3. Обмен веществ и дыхание оплодотворенной яйцеклетки приводят к незначительному, но измеримому подкислению морской воды. Поэтому были произведены специальные опыты, показавшие, что помещение оплодотворенных яйцеклеток в градиент-поле концентрации водородных ионов вызывает образование ризоиддающего выроста со стороны меньшей величины pH.
Но знак реакции оплодотворенной яйцеклетки при ориентировке оси полярности оказался зависящим от величины pH окружающей среды. Если pH морской воды доводилось до 5,7 или ниже, то в таком случае вырост, дававший впоследствии ризоиды, появлялся со стороны более высокого pH.
На микрофотографиях развивающиеся яйцеклетки с вытянутым концом, дающим начало ризоидам, изображены между двумя микропипетками, в правой из которых находится подкисленная, а в левой — нормальная морская вода. Видно, как в зависимости от концентрации водородных ионов в среде происходит поворот оси полярности на 180°.
Очень интересно отметить, что изменение pH среды, в которой находятся оплодотворенные яйцеклетки, может менять даже реакцию организма на действие центробежной силы.
Все приведенные факты позволяют сделать совершенно очевидный вывод: внешние условия, вызывающие ориентировку оси полярности оплодотворенной яйцеклетки водорослей Fucaceae, не являются специфическими. К этому выводу мы можем добавить второй, принципиальное значение которого, как будет видно из дальнейшего изложения, весьма велико. Этот вывод таков: характер действия данного фактора на поляризацию оплодотворенной яйцеклетки может изменяться под влиянием изменения дозировки других поляризующих яйцеклетку факторов.
После изложения результатов опытов Уитэкера и других опытных данных мы можем совершенно определенно признать упрощенным упоминавшееся выше представление о развитии как о цепи реакций лишь на действие привычных раздражителей. Воздействия, способные вызывать прохождение нормальных этапов развития, чрезвычайно разнообразны. Многие из этих воздействий совершенно не наблюдаются в среде, окружающей организм в природных условиях. Более того, можно утверждать, что некоторые из эффективных воздействий не только в настоящее время, но и никогда в процессе филогенентического развития организма не могли на него действовать. Так, например, поляризация яйцеклеток Fucaceae может быть вызвана односторонним облучением ультрафиолетовыми Лучами малой длины волны, которые не достигают земной поверхности. Такими оказываются ультрафиолетовые лучи с длиной волн 1800—2400 А.
Установив, что процесс детерминации при ориентировке оси полярности развивающегося организма проходит при действии столь различных по своей природе факторов, естественно поставить вопрос, в чем же сущность этого процесса. Ответ на этот вопрос в данном случае не носит столь законченного характера, как это, например, имеет место для процесса сексуализации. Но все же общие черты изменений, приводящие к поляризации оплодотворенных яйцеклеток, установлены. Это удалось сделать путем изучения действия на яйцеклетки ростовых веществ. Если поместить оплодотворенные яйцеклетки в раствор индолил-3-уксусной кислоты с градиентом концентрации этого вещества, то возникновение ризоидов будет наблюдаться на стороне, обращенной к более высокой концентрации.
В яйцеклетках водорослей сем. Fucaceae установлено наличие ростового вещества и это, в связи с упоминавшимся фактом действия гетероауксина на поляризацию яйцеклеток, дает ключ к пониманию процесса. Гетероауксин — слабая кислота, диссоциация ее подавляется уже при низких концентрациях водородных ионов. Физиологически активными как ростовое вещество являются лишь недиссоциированные молекулы интолил-3-уксусной кислоты. Поэтому со стороны меньшей концентрации водородных ионов при pH 6,0 наблюдается возникновение ризоидов. При действии на ризоиды центробежной силы или одностороннего освещения происходит перемещение ростового вещества в яйцеклетке.
Таким образом, намечается весьма простое объяснение ориентировки оси полярности в оплодотворенных яйцеклетках Fucus. Под действием различных внешних условий происходит перераспределение ростового вещества, причем возникает градиент его концентрации. Направление этого градиента — это и есть направление оси полярности развивающегося организма.
Приведенное толкование сущности процесса детерминации при ориентировке оси полярности организма позволяет сделать одно очень важное заключение. Если в основе процесса лежит перемещение вещества с небольшим молекулярным весом и следовательно, легко подвижного, то естественно допустить, что может происходить изменение детерминации. Пусть в результате действия на яйцеклетку того или иного фактора установится определенное направление градиента концентрации ростового вещества. Почему последующее действие этого же фактора, но в ином направлении или другого фактора не может вызвать нового перемещения ростового вещества?
Теоретически следует ожидать, что такое перемещение, а, следовательно, и переориентировка оси полярности, вполне возможны. Опыт полностью подтверждает это теоретическое ожидание. В упоминавшихся выше опытах Кнаппа яйцеклетки, поляризовавшиеся определенным образом под влиянием одностороннего освещения, могли вновь подвергаться поляризующему действию света, если его лучи направлялись под углом 90° к первоначальному направлению. Иногда удавалось добиться переориентировки оси полярности у 100% яйцеклеток, использованных в опыте. Это, конечно, является прекрасным подтверждением лабильности, или обратимости детерминации.
Пожалуй, особенно убедительным доказательством лабильности детерминации может служить изучение ориентировки оси полярности у яйцеклеток Fucaceae, развивающихся в темноте при отсутствии односторонних поляризующих воздействий. Выше указывалось, что в этих условиях оплодотворенные яйцеклетки, случайно размещенные на предметном стекле, дают ризоидобразующие выросты во всевозможных направлениях. Но из этого отнюдь не следует, что у них вообще отсутствует какой-либо импульс, определяющий ориентировку оси полярности.
Ближайшее изучение объекта показывает, что при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом на месте вхождения его в яйцеклетку вскоре образуется местный вырост. По истечении небольшого промежутка времени этот вырост рассасывается и перестает быть видимым. Но если отметить его расположение на яйцеклетке, прорастающей при отсутствии внешних поляризующих воздействий, то оказывается, что ризоиды возникают на месте этого выроста. Таким образом, приходится заключить, что первичная ориентировка оси полярности яйцеклеток Fucaceae определяется местом вхождения сперматозоида в яйцеклетку. Очевидно, изменения, возникающие в яйцеклетке при оплодотворении, приводят к ее поляризации. Но соответствующая детерминация лабильна, ибо, как мы видели, действием ряда факторов можно вызвать определенную ориентировку оси полярности. Можно сказать, что описанные выше процессы детерминации под действием внешних условий являются уже передетерминированием полярности, создаваемой оплодотворением. В связи со всем изложенным становится понятным упоминавшийся факт возможности добиться определенной ориентировки оси полярности под действием внешних условий лишь на протяжении известного промежутка времени от момента оплодотворения. После 2—2,5 час., истекших с этого момента, оплодотворенная яйцеклетка уже не реагирует на поляризующее действие внешних условий. В связи с аналогичными фактами, установленными для других объектов и других этапов развития, некоторые исследователи предлагали различать лабильную и стабильную детерминацию. Нам это представляется лишенным достаточных оснований. В действительности нет лабильной и стабильной детерминации, а просто после окончания процесса детерминации и приобретения готовности к прохождению соответствующего этапа развития начинается его осуществление. Правда, сначала оно не выражается внешними изменениями, улавливаемыми хотя бы и при микроскопическом наблюдении. Начало процесса новообразования элементов структуры организма — это область изменений в мире субмикроскопических величин. Это процесс скрытого роста в полном смысле слова. Но, очевидно, он все же имеет место, если через 2—2,5 час. в объекте, не изменившемся внешне, происходят столь значительные изменения, что внешние условия уже не оказывают на яйцеклетку поляризующего действия.
Таким образом, не происходит смены процесса лабильной детерминации иной — стабильной детерминацией, не в организме на основе лабильной детерминации начинается уже необратимый процесс структурообразования. В случае ориентировки оси полярности, как и при прохождении других этапов развития, мы сталкиваемся, следовательно, с известной обратимостью развития.
Рассмотрение опытных данных, относящихся к процессу ориентировки оси полярности развивающегося организма, позволило установить несколько общих положений. Вместе с тем оно послужило основой для уточнения содержания основных понятий физиологии развития. До сих пор мы совершенно не касались вопроса о биохимических изменениях, протекающих при прохождении процесса детерминации. Интерес и значение этого вопроса очевидны, но вместе с тем ясны и громадные трудности изучения этих изменений. Поэтому, несмотря на многочисленные и настойчивые попытки установить биохимические изменения при детерминации, этого еще не удалось сделать.
Лишь для одного из крупных этапов развития удалось добиться в этом отношении полной ясности. Это было достигнуто в исследованиях Мевуса (Moewus, 1938) и Куна (Kuhn, Moewus, Wendt, 1939) по сексуализации одноклеточных водорослей рода Chlamydomonas. Ознакомление с этими работами представляет исключительный интерес и как пример законченного изучения биохимической основы процесса детерминации при прохождении сексуализации — важнейшего этапа развития.
Для всех организмов, имеющих половое размножение и притом являющихся раздельнополыми, а к ним относится большое число растений и животных, сексуализации определяет весь характер развития. Во всех признаках организма, в его морфологии, клеточно-физиологических особенностях, в обмене веществ сказывается пол организма. Поэтому определение пола организма, протекающее у очень многих растений под действием внешних условий, — это выбор одного из возможных направлений развития. Едва ли можно среди всех известных нам этапов развития найти другой, имеющий столь большое значение, как процесс определения пола, процесс сексуализации организма. И становится понятным крупное общебиологическое значение излагаемых ниже работ по сексуализации водорослей.