Внедрение новых методов исследования и углубление наших представлений об организации тканевых структур позволяет проводить значительно более детальные сопоставления сходных в функциональном отношении тканей у разных животных.
В связи с этим резко возрастает значение широких сравнительно-гистологических и сравнительно-цитологических исследований. Они необходимы не только для разработки общих проблем эволюционной морфологии, но и для углубления наших знаний в таких общебиологических вопросах, как вопросы репродукции и дифференциации клеток и их взаимоотношения в тканевых и клеточных системах.
На кафедре цитологии и гистологии Ленгосуниверситета развернута серия сравнительно-гистологических работ по изучению кожных и кишечных эпителиев и системы клеточных элементов крови у разных групп низших позвоночных и беспозвоночных животных. Эти работы в теоретическом плане базируются на основных положениях теории параллелизма тканевых структур акад. А. А. Заварзина в ее современной интерпретации.
Наиболее обширная серия исследований с помощью комплекса современных методов (авторадиография с 3Н-тимиднном и предшественниками синтеза белка, РНК и полисахаридов, электронная микроскопия, гистохимия) проведена нами на кишечных эпителиях. В некоторых классах многоклеточных (рыбы и амфибии у позвоночных; полихеты и моллюски беспозвоночных) исследованы кишечные эпителии у ряда близкородственных форм в пределах каждого класса. Наряду с этим мы имеем возможность сопоставить кишечные эпителии у представителей далеко отстоящих классов первичноротых и вторичноротых животных. В плане развития теории параллелизма существенный интерес представляют также и такие тупиковые и вторичиоизмененные животные, как асцидии, брахиоподы и приапулиды. У них модификации типовых признаков организации кишечных эпителиев могут быть особенно своеобразными.
Предварительный анализ большого сравнительно цитологического материала относительно всасывающих клеток (наши и литературные данные) показывает, что этот тип клеток характеризуется относительным постоянством своей ультраструктурной организации у представителей разных классов позвоночных животных (рыбы, амфибии, птицы, млекопитающие). Всасывающие клетки позвоночных характеризуются наличием сложного аппарата микроворсинок, дифференцированными и разнообразными межклеточными контактами. Клеткам свойственна функциональная и, по-видимому, морфобиохимическая компартментализация, обусловливающая разделение внутриклеточного транспорта всасываемых веществ и веществ, используемых в процессах внутриклеточного метаболизма. Секреторная функция всасывающих клеток позвоночных незначительна и обеспечивает лишь интенсивное обновление мембранных и подмембранных структур апикального комплекса.
Всасывающие клетки кишечного эпителия у изученных представителей беспозвоночных животных (наши и литературные данные) имеют сходные со всасывающими клетками позвоночных типовые признаки ультраструктурной организации (развитый аппарат микроворсинок, сложная система межклеточных контактов, развитая мембранная система). Однако у беспозвоночных животных, как у разных представителей одной группы, так и у представителей разных групп животных, конкретные модификации организации всасывающих клеток значительно более разнообразны, чем у позвоночных животных. У беспозвоночных наблюдаются более сложные и многообразные взаимоотношения между собственно всасывающей и вспомогательной секреторной функциями. Так, например, по нашим данным, в кишечном эпителии приапулид имеются всасывающие клетки с ярко выраженной секреторной дифференцировкой и клетки, где такая функция не получает большого развития. У полихет из семейства афтодигид во всасывающих клетках кишечного эпителия гармонично сочетаются признаки и всасывающей и секреторной специализации. С другой стороны, у некоторых сидячих полихет (пектинария, пескожил), а также у нереид в кишечном эпителии имеется аналогичная позвоночным дифференцировка на типичные всасывающие и типичные секреторные клетки. Специфическими для первичноротых беспозвоночных типовыми особенностями кишечных эпителиев являются своеобразные надстройки усложнения апикального аппарата всасывающих клеток — перитрофические мембраны. Они весьма разнообразны по источникам развития и своей структуре. Нам удалось обнаружить такие образования у приапулид, сидячих и хищных полихет и тем самым несколько расширить паши представления об этих интересных и важных структурах поверхностного аппарата всасывающих клеток.
Общими типовыми особенностями пищеварительных клеток в кишечных эпителиях животных с внутриклеточным пищеварением являются развитие у пищеварительных клеток белоксинтезирующего и лизосомального аппаратов, а также весьма гетерогенная морфология этих клеток в зависимости от фазы пищеварительного цикла. Эти клетки обнаруживают сходную ультраструктурную организацию у таких отдаленных групп животных, как голожаберные моллюски и брахиоподы. У пищеварительных клеток голожаберных моллюсков прослежены последовательные стадии пищеварительного цикла и определена его общая продолжительность. В этих клетках выявлены трубчатые структуры, образованные впячиванием плазматической мембраны. Эти структуры относятся, по-видимому, к одному из вариантов, так называемых постоянных пиноцитозных комплексов. Постоянные пиноцитозные комплексы описаны в пищеварительных клетках кишечного эпителия клещей, пластинчатожаберных моллюсков, асцидий и в клетках кишечного эпителия новорожденных млекопитающих.
Известный сравнительно-цитологический интерес представляют полученные нами данные по вспомогательным секреторным клеткам в кишечных эпителиях разных групп беспозвоночных животных. Так, например, у полихет и брахиопод выявлена особая система базальных, по-видимому, нейроэндокринных клеток. В кишечном эпителии пескожила описаны вспомогательные клетки, аналогичные клеткам эпителия желудка позвоночных. Особого внимания заслуживают секреторные клетки в эпителии средней кишки пластинчатожаберных моллюсков. По некоторым гистохимическим тестам и признакам ультраструктурной организации они напоминают инсулинпродуцирующие клетки круглоротых. Наличие гормональной регуляции углеводного метаболизма у моллюсков выявлено в современных сравнительно-биохимических исследованиях.
Полученные в наших работах и имеющиеся в литературе данные по дифференцировке всасывающих, пищеварительных и вспомогательных клеток в кишечных эпителиях разных групп многоклеточных животных свидетельствуют о широком распространении здесь явлений параллелизма и конвергенций. Последние обусловлены, в первую очередь, тем обстоятельством, что специализация рассмотренных выше клеток происходит на основе гипертрофии общих для всех эукариотных клеток функций (трансмембранный и внутриклеточный транспорт, транспорт в мембранной упаковке, секреторная функция).
Интересные, на наш взгляд, результаты дали и целенаправленные широкие сравнительно-гистологические исследования системных аспектов организации кишечных эпителиев. Наиболее адекватным методом для выяснения внешних проявлений сложной внутренней системной организации процессов репродукции и дифференциации клеток в однослойных пластах является метод тимидиновой авторадиографии. Этот метод позволяет точно локализовать расположение стволовых (недифференцированных) и полустволовых, камбиальных (клеток с признаками днфференцировки, но находящихся в цикле репродукции) клеток. Он дает также возможность определить количественные соотношения стволовых, полустволовых и дифференцированных клеток и ряд других объективных количественных критериев, характеризующих и интенсивность репродукции и интенсивность обновления исследуемой тканевой системы.
Метод тимидиновой авторадиографии был с успехом использован для изучения организации кишечного эпителия млекопитающих. Однако в отношении кишечного эпителия представителей других классов позвоночных и беспозвоночных животных до последнего времени имелись лишь единичные более или мепее детальные исследования. Более систематическое и более широкое использование метода 3Н-тимидиновой авторадиографии позволило нам сделать ряд важных, на наш взгляд, выводов об общих системных закономерностях организации кишечных эпителиев многоклеточных животных. Нам удалось, в частности, показать ошибочность тезиса о том, что в ряду позвоночных имеет место прямолинейное усложнение организации кишечного эпителия от диффузного распределения камбиальных клеток у рыб к четкому топографическому выделению сложноорганизованной системы пролиферирующих клеток у млекопитающих и птиц. В наших работах в пределах каждого класса низших позвоночных животных (бесхвостые и хвостатые амфибии, разные виды костистых рыб) нам удалось выявить варианты более или менее выделенной топографической дифференциации стволовых недифференцированных клеток и варианты различной скорости обновления кишечного эпителия. Более того, даже у асцидий в эпителии желудка, по нашим и литературным данным, в пределах одной складки слизистой оболочки имеется две четко топографически выделенные системы пролиферирующих клеток с разными программами днфференцировки. Аналогичные отношения характерны и для кишечного эпителия беломорского бокоплава, представителя высших первичпоротых животных. С другой стороны в кишечном эпителии приапулид отсутствуют особые недифференцированные стволовые клетки. Клетки с признаками дифференцировки, по сохраняющие способность к репродукции, распределены равномерно в эпителиальной выстилке кишки. В кишечном эпителии афродитид при отсутствии специальных стволовых клеток места гибели закончивших свой жизненный цикл клеток приурочены к вершине складок. Сохраняющие способность к синтезу ДНК и репродукции клетки располагаются преимущественно в промежутках между складками. Однако такая организация характерна у афродитид лишь для эпителия средней кишки. В эпителии латеральных выростов и связывающих их с полостью кишки протоков имеются и стволовые и полустволовые клетки. При этом в эпителии протоков они образуют топографически организованную камбиальную систему.
У исследованных нами животных с внутриклеточным пищеварением в организации процессов репродукции и физиологической регенерации в кишечном эпителии наблюдаются модификации, аналогичные рассмотренным выше модификациям у животных с полостным пищеварением. Так, у брахиопод в основании складок в эпителии пищеварительных желез не удалось обнаружить стволовых недифференцированных клеток. У пластинчатожаберных и голожаберных моллюсков стволовые недифференцированные клетки хорошо выражены в участках эпителия между складками. У голожаберных моллюсков имеется сложная связь между системой стволовых и полустволовых клеток пищеварительной железы с пролиферирующими клетками книдосаков, дифференцированные клетки которых осуществляют защитную функцию.
Краткий обзор системных аспектов организации кишечных эпителиев у первичноротых и вторичноротых животных позволяет сделать следующие выводы. У разных групп животных и в пределах одной группы, и даже у одного животного в разных отделах пищеварительного тракта мы имеем целый спектр модификаций организации процессов репродукции и дифференциации клеток. Эти модификации не выходят, однако, за пределы общего типового признака обновляющейся однослойной тканевой системы. Следует с большой осторожностью распределять обнаруженные варианты по высоте совершенства организации, лишь на основе более или менее выраженной дифференциации системы пролиферирующих клеток. Эпителии с диффузным распределением камбиальных клеток отличаются большой пластичностью. Это может иметь адаптивное значение, особенно у животных с сезонной перестройкой кишечного эпителия. Так, в частности, у бесхвостых амфибий весной в кишечном эпителии наблюдаются сложные морфогенетические процессы. Эпителий по своей организации приобретает черты сходства с эпителием хвостатых амфибий, с четким выделением регенерационных гнезд — топографически выделенных участков, где сосредоточены стволовые и пролиферирующие камбиальные клетки.
Аналогичную сложную перестройку слизистой оболочки средней кишки удалось наблюдать у представителей костистых рыб — вьюнов при перемещении их из «зимних» условий обитания (+4°) в летние (+15—18°). В этих условиях происходит разрастание слизистой оболочки. Возникающим при этом вторичным складкам предшествует появление в эпителиальном пласте очагов усиленного размножения клеток.
Перспективность анализа сезонных изменений кишечных эпителиев при сравнительно-гистологических исследованиях системных аспектов их организации особенно убедительно показано в работах дальневосточной группы гистологов.
В нашем коллективе необходимость такого направления исследований особенно убедительно продемонстрировано в серии работ Горышиной по анализу сезонных изменений в организации кроветворной системы амфибий. В опытах с «насыщением» 3Н-тнмидином ей, удалось показать, что у животных с четкой сезонной регуляцией процессов кроветворения (тритон, лягушка) фонд непролиферирующих стволовых и полустволовых клеток, находящихся в периоде G0 даже в активный летний период жизнедеятельности животных, составляет около 10%. Это значительно более высокий процент, чем относительное количество аналогичных клеток у лабораторных грызунов и аксолотля, кроветворная система которых не подвержена резким сезонным изменениям.
Большой интерес представляют также данные Горышиной относительно дифференциальной регуляции отдельных ростков кроветворения у травяной лягушки. В работе удалось показать, что нейтрофильно макрофагальный и тромбоцитарный ростки кроветворения можно стимулировать к пролиферации практически в любое время года повышением температуры тела животного. Что же касается эритроидного и базофильного и эозинофильного гранулоцитарных ростков, то в них зимой и даже ранней весной не удается стимулировать процессы пролиферации одним повышением температуры. Эти данные свидетельствуют о специфической особенности организации и сезонной регуляции кроветворной системы бесхвостных амфибий. У млекопитающих с резкими сезонными колебаниями процессов кроветворения (виды, впадающие в зимнюю спячку) наблюдаются, по-видимому, иные отношения в регуляции процессов репродукции клеток.
Перспективность целенаправленных сравнительно-гистологических работ, работ с использованием сравнительного метода на основе теории параллелизма весьма ярко проявилась в серии работ нашего сотрудника Чаги на системе гранулярных амебоцитов беспозвоночных животных. У наиболее подробно исследованных им асцидий эти клетки представлены системой, так называемых морулярных клеток. Зрелые морулярные клетки заполнены гранулами, в которых содержатся дифенолы, окисляющий их фермент дифенолоксидаза и другие белки. В основе разнообразных функций этих клеток у асцидий лежит один биохимический механизм. При выделении гранул происходит активизация дифенолоксидазы. При окислении дифенолов образуются хиноны, которые склеротизуют белки. Конкретные функции морулярных клеток у асцидий весьма разнообразны. Они стабилизируют белки туники, образуют на ее поверхности уплотненный белковый слой, первыми участвуют в репарации тупики при ее повреждении, инкапсулируют инородные тела, осуществляют реакцию трансплантационного иммунитета.
Анализ литературы и собственные поисковые исследования студентов старших курсов кафедры показали, что системы такого рода гранулярных амебоцитов широко распространены как у вторичноротых, так и у первичноротых животных. Они используют, по-видимому, единый дифенолоксидазный биохимический механизм для осуществления специфических и различных для каждой группы животных функций. Особенно много данных имеется в настоящее время относительно функции гранулярных амебоцитов у артропод. В гранулах этих клеток обнаружено наличие фенолоксидазы. В нормальных условиях показано участие гранулярных амебоцитов в формировании плотных белковых оболочек вокруг желез внутренней секреции. Имеются косвенные данные о том, что при линьке эти клетки — основные поставщики фенолоксидалы для склеротизации новообразующейся кутикулы. В патологических условиях гранулярные амебоциты образуют защитные «пробки» при нарушении целости кожных покровов. Они же инкапсулируют паразитов и инородные тела, с последующей меланизацией за счет избытка хинонов элементов формированной капсулы. Наконец, в последнее время удалось показать большое значение фенолоксидазной системы гранулярных амебоцитов в процессах свертывания гемолимфы у ракообразных. Интересно отметить, что у позвоночных животных внутриклеточная фенолоксидаза используется не в защитных и формообразовательных реакциях, а в основном для специфической меланизации в особой системе пигментных клеток, происходящей из зачатка нервной системы.
Как следует из представленных на схеме данных, в пашем коллективе проводятся сравнительные исследования и на кутикулярных и многоядерных кожных эпителиях беспозвоночных животных. Они связаны с разработкой двух основных проблем — проблемы взаимоотношений клеток и внеклеточных структур (кутикулярные эпителии) и проблемы взаимоотношения репродукции и дифференциации клеток в аналогичных тканях у разных групп многоклеточных животных (многорядные эпителии). В этих работах обнаружены закономерности, сходные с выявленными закономерностями на примере кишечных эпителиев и клеток крови.
Таким образом, десятилетний опыт работы в области сравнительной гистологии эпителиальных тканей и тканей внутренней среды, а также анализ обширной современной литературы по сравнительно-гистологическим исследованиям других типов тканей многоклеточных животных, позволяет нам сделать общий вывод о большой перспективности такого рода исследований. Конечной их целью является выяснение эволюционной динамики аналогичных тканевых структур и тканей в целом. Эволюционная динамика последних может быть выявлена через анализ их основных модификаций у разных групп многоклеточных животных. Плодотворность широких сравнительно-гистологических сопоставлений обусловливается наличием общих для каждой конкретной тканевой дифференцировки закономерностей их преобразований в эволюции животных. Глубокое значение эволюционной динамики каждого типа тканей и отдельных разновидностей этих тканей в пределах типов абсолютно необходимо и для разработки общих вопросов эволюционной морфологии и для успешного развития прикладных исследований в области медицины, ветеринарии и селекции животных.