Животные могут физическими или химическими методами «разубеждать» хищников нападать на них.
Широко используются для этого известковые защитные образования, например спикулы губок, скелеты кораллов, трубки аннелид, раковины моллюсков и плечено-гих, домики некоторых лофофоровых, панцири иглокожих. Хитинизированные покровы членистоногих также могут использоваться для защиты и в ряде случаев укреплены соединениями кальция. Это особенно заметно у сидячих усоногих рачков, покрытых толстыми известковыми пластинками (см. рис. 8.36, А).
Иногда неорганические включения настолько снижают питательную ценность тканей животного, что оно теряет свою привлекательность как источник пищи. Возможно, такова функция, по крайней мере частично, известковых или кремнеземных скелетов губок, известковых скелетов кораллов, трубочек из гравия или песчинок, окружающих тело некоторых полихет и личинок ряда пресноводных насекомых (см. выше). Удивительно, но лишь у небольшого числа морских турбелларий в стенке тела обнаруживаются известковые пластинки или шипы (гл. 3). Их функция, по-видимому, опорная, но есть основания полагать, что они одновременно снижают питательную ценность организма. Более того, кажется вполне правдоподобным, что раковина моллюсков произошла именно от таких образований.
Раковина — наиболее очевидное средство физической защиты (см. рис. 9.34). Ее толстая стенка, сильная скульптурированность поверхности, закрывающееся устье и спиральная форма эффективно предохраняют многих морских бентосных гастропод от рыб, крабов, омаров и других хищников, способных разламывать раковины других форм (рис. 13.6). Крышка, прикрывающая устье раковины наземных улиток, препятствует проникновению внутрь нее хищных жуков. Сложная скульптура, включающая разнообразные выросты, ребра, шишки и шипы, служит не только для укрепления, но и повышает эффективный размер, тем самым снижая доступность животного для хищников или увеличивая время переработки жертвы. То, что у пресноводных моллюсков нет толстостенных раковин со сложной архитектурой, возможно, частично объясняется отсутствием в их местообитаниях специализированных моллюскофагов. Кроме того, это может быть связано с меньшей доступностью кальция в пресной воде.
Необычные защитные покровы встречаются у асцидий. Их наружный однослойный эпителий дополнительно окружен туникой (оболочники по латыни—Tunicata;см. разд. 7.4А), обычно достаточно толстой, но сильно варьирующей по консистенции—от мягкой и непрочной до грубой и хрящеподобной. Она состоит из волокнистого материала, основным компонентом которого у многих, хотя и не у всех, асцидий служит особая форма целлюлозы, называемая туницином. Помимо этого в состав туники входят белки и неорганические включения, например кальций. Она бывает ва-скуляризована и иногда содержит амебоидные клетки, т. е. ее нельзя считать мертвым покровом.
Некоторые патогены могут проникать через наружные защитные берьеры, но любой организм располагает внутренней линией обороны, способной противостоять такому вторжению. У позвоночных это иммунная система с антителами, нейтрализующими специфические чужеродные антигены. У беспозвоночных такой системы нет. но и они, конечно же, располагают внутренними средствами защиты, в основном — фагоцитарными клетками, способными распознавать и уничтожать чужеродный материал.Классическим примером распознавания «своего» служит реагрегация клеток у губок. Продавливая кусочки губок через ткань или помещая их в раствор этилендиа-минтетрауксусной кислоты (ЭДТА), можно разделить весь организм на отдельные клетки. Смесь клеток разных видов или даже клонов одного и того же вида даст видо-специфичные и клоноспецифичные реагре-гаты.
Опыты по пересадке тканей дают сходные результаты. Например, горгонарии (колониальные кораллы) отторгают ткани других видов (ксенотрансплантаты) и даже генетически отличных особей своего вида (аллотрансплантаты), но ткани других частей той же колонии (автотрансплантаты) всегда приживаются.Все описанные выше реакции характерны для колониальных и обрастающих организмов, часто оказывающихся в условиях, когда их жизненное пространство ограничено и является объектом жесткой конкуренции. Это, по-видимому, благоприятствовало эволюции способности распознавания «своего» как средства поддержания собственной целостности. Следовательно, такие типы систем самораспознавания могут быть результатом особого давления отбора, а вовсе не общей основой эволюции иммунных систем в царстве животных.
Иммунологические исследования были начаты на заре XX в., когда И. И. Мечников ввел шипы розы под эпидермис личинки-бипиннарии морской звезды и вскоре обнаружил, что они «атакованы» амебоидными клетками. Сходные результаты он получил и при инъекции бацилл сибирской язвы личинкам жука-носорога (Oryctes nasicornis). На основе этих наблюдений Мечников высказал предположение, что амебоидные клетки, которые у многих примитивных беспозвоночных участвуют в процессах внутриклеточного пищеварения (разд. 9.2.2),сохранились у более высокоразвитых животных в качестве внутренней системы защиты. Действительно, фагоциты широко распространены у беспозвоночных, и эксперименты по введению живым организмам чужеродного материала продемонстрировали их способность удалять различные чуждые организму частицы.
Фагоциты должны одновременно «игнорировать» нормальные ткани своего организма и поглощать чужеродные частицы. По-видимому, они участвуют и в удалении «своей» ткани, поврежденной в результате присутствия ксенобиотика, например загрязнителя.О механизме этого процесса известно сравнительно мало. Априорно можно предположить, что распознавание происходит при контакте фагоцита с его мишенью. Поскольку маловероятно, что все чужеродные частицы подают специфический сигнал «убей», разумно предположить подачу своими клетками особого сигнала «не убивай». Нет данных о существовании у беспозвоночных такой же развитой, как у позвоночных, системы антител, служащих промежуточным звеном при разпознавании антигенов, но есть указания на опсониновую активность жидкостей их тела (опсонины— молекулы, связывающиеся с чужеродными частицами, с одной стороны, и с фагоцитами, с другой, что облегчает процесс фагоцитоза). Так, амебоциты мечехвоста (хелицеровые) не обладают существенным бактерицидным действием без его сыворотки, но в ее присутствии убивают кишечную палочку. Сходным образом фагоцитоз эритроцитов человека гемоцитами (амебоцитами крови) осьминога Eledone cirrosa происходит только после того, как эритроциты обработаны его сывороткой. Экстракты из многих беспозвоночных действуют как агглютинины, связывая друг с другом различные клетки и бактерии in vitro (табл. 13.2). Возможно, они обладают и опсониновыми свойствами, связывая чужеродные частицы с поверхностью фагоцитов. (Более подробное обсуждение этих механизмов см. Coombe et al„ 1984.)
Предполагаемые механизмы распознавания клеток фагоцитами представлены на рис. 13.11. Прямое узнавание (рис. 13.11,А), вероятно, осуществляется фагоцитами, «патрулирующими» ткани беспозвоночных с массивным телом, тогда как у животных с заполненными жидкостями полостями в качестве промежуточных факторов фагоцитоза могут выступать опсонины
Когда происходит внутреннее оплодотворение (гл. 14), в организм животного попадает сперма с чужеродным генотипом. Оплодотворенные яйцеклетки и эмбрионы, находящиеся в тканях матери (гл. 15), также являются генетически наполовину «чужими». Однако в норме они не должны разрушаться ее иммунной системой — напротив, материнский организм должен служить им надежным хозяином. Неизвестно, как конкретно половые клетки избегают разрушения иммунной системой, но некоторое представление об этом могут дать результаты описанных ниже опытов. Сперматозоиды аллогенпых доноров не фагоцитируются при введении в целомическую полость земляных червей, однако сперматозоиды млекопитающих или других видов дождевых червей фагоцитируются. Самцы си-пункулид не могут инкапсулировать яйца того же вида, введенные в их целом; это позволяет предположить, что половые клетки обладают каким-то универсальным механизмом, позволяющим им избегать атаки иммунной системы организма-хозяина— ведь в природе яйца в организме самцов не встречаются! Те же яйца, поврежденные химической, тепловой или ультразвуковой обработкой, быстро инкапсулируются, в то время как предварительно замороженные яйца, хотя и нежизнеспособны, инкапсуляции не подвергаются. Интересуюшихся мы вновь отсылаем к работе Кумба и др. (Coombe et al., 1984).Успех паразита зависит от его способности защитить себя от иммунного ответа хозяина. Этот вопрос был подробно исследован на трематодах, у которых открыты разнообразные способы защиты. Так, шисто-сомы окружают свое тело антигенами, близкими или идентичными антигенам хозяина, которые либо синтезируются самим паразитом (молекулярная мимикрия), либо берутся у хозяина и связываются с поверхностью паразита. Независимо от происхождения они маскируют собственные антигены паразита, так что те более не вызывают ответной реакции. Фасциолиды используют иной механизм: они выделяют вещества, токсичные для лимфоцитов и других клеток иммунной системы хозяина. Кроме того, гликокаликс покровов паразита с высокой скоростью обновляется, что позволяет трематодам «сбрасывать» антитела хозяина.
Разрушение тканей. Старение у двукрылых насекомых сопровождается снижением способности к полету, и оно в свою очередь коррелирует с дегенеративными изменениями в структуре летательных мышц. Показано, что среднее число клеток в мозге рабочих пчел падает с 522 при вылете из куколки до 350 в возрасте 10 недель (рис. 13.13).
Липофусцин (пигмент старения). Вероятно, это продукт пероксидирования липидов,образующийся при разрушении клеточных мембран. Показано, что липофусцин накапливается с возрастом в тканях нематод и насекомых (рис. 13.14).
Работа ферментов. Данные, полученные в основном при изучении нематод, говорят о нарушении с возрастом структуры и функции ферментов: они становятся более чувствительными к тепловой денатурации (что указывает на изменения в молекулярной организации), проявляют аномальные иммунологические свойства и снижают каталитическую активность. Однако это не относится к некоторым ферментам нематод, а также ко многим изученным ферментам других животных.
Основная причина всех этих нарушений связана, вероятно, с молекулярными процессами типа теплового шума, вызывающими ошибки синтеза белков и других метаболических превращений. В то же время поврежденные белковые молекулы могут в принципе в соответствии с генетической программой заменяться новыми так же, как и целые клетки (в данном случае—путем митоза) (гл. 1). Действительно, результаты опытов на нематодах позволяют говорить, что белки с аномальной аминокислотной последовательностью обновляются быстрее нормальных, но этот процесс замедляется по мере старения червей. Клеточные деления у взрослых особей характерны для книдарий, плоских червей, аннелид и моллюсков, но весьма ограничены у нематод и насекомых. У пресноводных трехветвистых турбелларий обновление клеток с возрастом замедляется (рис. 13.15), причем особенно заметно — с переходом у моноцикличных форм к размножению (см. разд. 14.4). Последнее связано с ускорением самого процесса старения. Таким образом, биологический возраст, или жизнеспособность, организма зависит от баланса между возникновением дефектов и их заменой или исправлением (репарацией). Неудивительно поэтому, что процессы старения наименее выражены у таких организмов, как книдарий, у которых обновление тканей происходит на протяжении всей жизни, и наиболее заметны у нематод и насекомых, где оно весьма ограничено (табл. 13.3). А среди насекомых митотическое деление клеток захватывает больше тканей и продолжается дольше у видов с более продолжительной жизнью, например у жуков.
у короткоживущей формы митотическая активность в репродуктивном возрасте падает сильнее. Считается, что замедление обновления тканей вызывается большим вкладом энергии в размножение и сокращает жизнь, ускоряя процессы старения (по Calow, Read, 1986) Опасности, которым подвергаются организмы, весьма разнообразны, и неудивительно, что они вызывают широкий спектр ответных реакций. Однако можно предложить единую классификацию таких опасностей в зависимости от их более или менее тесной связи с организмом, находящимся под угрозой. Сходным образом за внешним разнообразием реакций можно различить некоторые общие черты. Например, все защитные механизмы независимо от того, направлены они против хищников, паразитов, микроорганизмов или изнашивания самого организма, требуют больших затрат вещества и энергии. Именно эти общие принципы читатель должен постараться уяснить из этой и других глав данной книги.
Иглокожие — древняя группа беспозвоночных, которая состоит из исключительно морских организмов, живущих в воде с высокой соленостью. В некоторых отношениях они близки к типу хордовых. Так, например, иглокожие относятся к типичным вторичноротым животным, имеют вторичную полость тела — целом, строение кожного покрова сходное с покровом хордовых. Эволюция иглокожих проходила весьма сложно и сопровождалась сменой форм, вымиранием одних групп, преобразованием других. Палеонтологические материалы говорят о том, что иглокожие, очевидно, существовали уже в докембрии, так как в последующие геологические периоды они были представлены довольно широко. По совокупности научных данных о происхождении иглокожих есть основание предполагать, что предки иглокожих были свободноживущими двусторонне-симметричными животными, которые в процессе эволюции приобрели лучевую симметрию в связи с переходом к прикрепленному образу жизни. Впоследствии иглокожие вернулись к свободному перемещению, сохранив симметрично-лучевое строение, и только морские лилии частично продолжают вести прикрепленный образ жизни.
Таким образом, лучевая симметрия у иглокожих — явление вторичное. Это подтверждается и ходом их индивидуального развития: в онтогенезе они проходят стадию личинки (диплеуролы) с двусторонней симметрией, а не с радиальной, которая свойственна взрослым особям. Здесь налицо связь онтогенеза с филогенезом.
Иглокожие по своему строению представляют очень своеобразную специализированную группу животных. В отличие от всех других беспозвоночных они обладают особой водно-сосудистой системой — амбулякральной. Такой системы нет ни у кого из животных других типов. Еестроение и функции изложены в школьном учебнике зоологии, и повторять ее здесь нет необходимости. Нетрудно видеть, что строение этой системы и расположение других систем органов иглокожих несет на себе печать лучевой симметрии. Нервная система, например, состоит из трех ярусов, состоящих из колец и отходящих от них радиальных стволов, из которых кольцо и стволы наружного (поверхностного) яруса связаны с органами чувств, которые у иглокожих развиты в общем слабо. Так, например, у них нет совершенно фонорецепторов, органами осязания, обоняния и вкуса служат чувствительные клетки на амбу-лякральных ножках, на ротовых щупальцах и других участках тела; органы зрения представлены в виде глазных ямок (у морских звезд), светочувствительных органов (у голотурий), пигментных пятен (у морских ежей); ста-торецепторы в виде отоцистов имеются только у некоторых видов голотурий. Несмотря на скромный рецепторный аппарат, иглокожие довольно сильно реагируют на изменение освещенности и хорошо воспринимают вкусовые раздражения.
Гистогенез требует упорядоченной работы переключающих факторов. Он обеспечивается либо детальным набором инструкций о том, как клетка должна реагировать, занимая определенное положение в эмбрионе, либо менее детальной информацией, позволяющей клеткам «узнавать» свое местонахождение и действовать в соответствии с ним. Поскольку генетические инструкции находятся внутри клетки и крайне маловероятно, что детальная информация может поступать в нее извне или даже передаваться из ее цитоплазмы к генетической программе внутри ядра (запрет, известный как «центральная догма молекулярной биологии»), более правдоподобно предположение о контроле, обеспечиваемом позиционной информацией. Однако до сих пор остается загадкой, на чем она основана, если все клетки эмбриона генетически идентичны. Возможно, это связано с цитоплазмой яйцеклетки. Она часто даже визуально неоднородна (например, пигмент и желток распределены в ней неравномерно), и уже продукты первого деления могут иметь разную цитоплазму, а следовательно, и неодинаковые условия для экспрессии своих геномов.
Можно видеть, что этот процесс соответствует предположению Вейсмана, за исключением того, что в ходе дробления клетки начинают различаться цитоплазматиче-ским, а не ядерным материалом. Это делает возможным материнское влияние на развитие через цитоплазму яйца. В конечном счете такой контроль, независимо от его природы, бывает либо жестким, определяющим судьбу клеток на ранних стадиях онтогенеза (детерминированный процесс), либо более гибким, позволяющим экспериментально изменять судьбу отдельных клеток даже на достаточно поздних стадиях (недетерминированный процесс)
Морфогенез сочетает перемещения клеток и дифференциальный рост. Первый про-песс хорошо описан для ранних стадий развития прозрачного эмбриона морского ежа (рис. 17.5, А и гл. 15): различные клетки внутри него можно не только наблюдать, но и регистрировать с помощью замедленной киносъемки. На ранней стадии эмбрион образует состоящий из клеток полый шар — бластулу. Затем некоторые клетки должны переместиться внутрь, чтобы сформировать внутренние органы, например ки: шечник. Этот процесс, называемый гастру-ляцией, происходит в два этапа. Сначала внутрь проникают отдельные клетки, затем происходит инвагинация всей стенки. Миграция начинается утратой контакта клеток друг с другом; они движутся в бластоцель (внутреннюю полость бластулы) и затем перемещаются вдоль его внутренней поверхности, подтягиваясь филоподиями. Инвагинация включает две стадии: медленное прогибание стенки сменяется после некоторого перерыва быстрым ее впячиванием. Первая фаза, вероятно, связана с изменением адгезии клеток: они слабее прилипают друг к другу, но остаются прикрепленными к базальной мембране. Это придает им грушевидную форму и может вызывать прогибание вовнутрь, как показано на рис. 17.5, Б. Быстрая фаза, вероятно, обеспечивается клетками, образующими в этой зоне филоподий, которые, установив контакт с крышей бластоцеля, сокращаются. Эти процессы, включающие межклеточные мембранные взаимодействия и активную миграцию клеток с помощью филоподий, вероятно, довольно типичны для морфогенетических изменений у животных. Основной вопрос, который остается нерешенным,— как они контролируются, обеспечивая формирование полностью организованной особи.
Продукты размножения мельче и обычно устроены проще, чем родители. При половом процессе они одноклеточные, в то время как у родителей много функционально дифференцированных клеток. Следовательно, для индивидуального развития, или онтогенеза, необходимы клеточные деления, увеличивающие размер (рост), и клеточная специализация (дифференцировка). Поскольку специфические клетки находятся в строго определенных местах организма, должен происходить гистогенез. Продукты размножения обычно более или менее сферические, а взрослый организм имеет сложную форму, т. е. развитие включает формообразование (морфогенез).
Деление зиготы (дробление оплодотворенного яйца) происходит путем митоза. Он точно воспроизводит ее геном и описан выше. Некоторые из первых эмбриологов (особенно Август Вейсман, 1834—1914) считали, что дифференцировка включает постепенное отделение в специфических клеточных линиях ненужной части наследственного материала. Однако изучение митоза и открытие возможности полной регенерация некоторых беспозвоночных из мелких фрагментов их соматической ткани показали, что каждая соматическая клетка содержит более или менее полную копию исходного генома. По мере дифференцировки в различных клетках должны происходить «включения» или «выключения» специфических частей этой наследственной программы. Таким образом, клетки, имея одинаковый генотип, синтезируют различные белки и, следовательно, функционируют по-разному.
Хорошо известная модель такого переключения основана на изучении бактерии Escherichia coli. Одной бактериальной клетке дают разделиться на две дочерние; затем1 культивируют одну из образовавшихся клеток в среде, содержащей как источник энергии глюкозу, а вторую— в среде с другим сахаром—лактозой. В присутствии лактозы бактерии продуцируют фермент (3-галактозидазу, который превращает ее в глюкозу, поскольку непосредственно лактоза использоваться не может. В среде с глюкозой этот фермент не образуется. У клеток в обеих средах один и тот же геном, однако процессы синтеза различны, т. е. можно сказать, что они дифференцированы в отношении друг друга.
Клетки в глюкозной среде также содержат гены, кодирующие Р-галактозидазу, однако .обычно они «выключены» белком-репрессором. Он препятствует специфической генной транскрипции, связываясь с соответствующим оператором. Лактоза, попадая в клетку, превращается в аллолакто-зу, которая взаимодействует с репрессором таким образом, что он перестает ингибиро-вать оператор и начинается синтез РНК, служащей матрицей для синтеза фермента, называемого в данном случае индуцированным, т. е. запускаются метаболические процессы, необходимые для утилизации лактозы. Модель изображена на рис. 17.4.
По аналогии с такой регуляцией путем включения в принципе возможна и регуляция путем выключения, хотя понятно, что она менее экономична. О молекулярной основе генной регуляции при дифференциров-ке эукариотических клеток известно мало, однако похоже, что ее механизм близок к рассмотренному выше.
Вклад в репродуктивные процессы — очень важное, возможно, основное направление использования ресурсов организмом. Они идут на образование стадий размножения (пропагул), которые являются средством передачи в поколениях генетической информации.
Иногда, как отмечалось выше (разд. 14.1.1), клетка или группа клеток, отделяющаяся от родительской особи, полностью воспроизводит геном последней. В основе такого бесполого размножения лежит митоз (рис. 17.2), за счет которого клетка или клетки пропагулы образуются сами и в свою очередь дают генетическую копию родительского организма.
В противоположность этому отдельные половые клетки (гаметы), возникающие обычно в специализированных органах (гонадах), для возникновения нового организма должны, как правило, сливаться с другими половыми клетками. Гаметы образуются в процессе мейотического деления, даюшего клетки с количеством ДНК и хромосом вдвое меньшим, чем в обычных соматических клетках (рис. 17.3). Полный на-бор хромосом восстанавливается при слиянии гамет (сингамии, оплодотворении), а поскольку они часто происходят от разных родителей, потомство получает смешанные генетические программы. Этот процесс называют половым размножением (см. гл. 14).
Секрет из нейросекреторных нейронов выделяется, как и из большинства обычных железистых клеток, путем экзоцитоза. Во время этого процесса мембрана гранулы сливается с плазматической мембраной окончания аксона, что приводит к диффузии ее содержимого в кровь. Впервые это было установлено при изучении беспозвоночных, в частности в работах Норманна (Normann, 1965) по падальной мухе СаШ-phora.
Позже исследования на аннелидах, а затем на широком круге других беспозвоночных показали, что секреторные гранулы из «обычных» нервных окончаний (т.е. образующих синаптические контакты с другими клетками) также выделяются путем экзоцитоза. Это означает, что синаптическим окончаниям свойственны два различных секреторных механизма.
Синаптические пузырьки, по-видимому, формируются локально внутри окончании и захватывают обычные медиаторы, например ацетилхолин, из клеточного сока, где эти вещества синтезируются. Пузырьки обычно выделяют свое содержимое в местах синаптических утолщений (рис. 16.6). Нейропептиды, напротив, синтезируются и упаковываются в гранулы в теле клетки. После переноса в нервное окончание гранулы высвобождают свое содержимое путем экзоцитоза. по-видимому, через неспециализированные участки мембраны.
После экзоцитоза мембраны пузырьков и гранул отделяются от плазматической мембраны, переходя внутрь окончания (эндоцитоз). Однако в то время как пузырьки осуществляют круговорот (т. е. вновь заполняются и используются), мембраны гранул, вероятно, разрушаются.Разнообразие и сложность нейроэндо-кринных систем некоторых беспозвоночных хорошо иллюстрирует пример саранчи.
Система I. Диуретический гормон синтезируется нейросекреторными клетками мозга и транспортируется по аксонам в запасающую долю кардиального тела (нейро-гемальный орган), из которой выделяется в кровь. Гормон стимулирует образование мочевины мальпигиевыми сосудами. Это эндокринная система первого порядка— только с одним гормональным этапом.
Система 2. Нервные волокна, идущие к железистой доле кардиального тела, образуют там типичные синаптические контакты с железистыми клетками, работой которых они управляют, выделяя нейромедиатор октопамин. При стимуляции клетки выделяют адипокинетический гормон пептидной природы, идентифицированный Мор-дью (Mordue) с соавторами в 1976 г. Он мо-билизирует липиды жирового тела для использования в качестве источника энергии при полете.
Система 3. Другой гормон, секретируе-мый нейросекреторными клетками комплекса мозг/кардиальное тело, называется проторакотропным (РТТН). Он стимулирует секрецию проторакальными железами стероидного гормона экдизона, который после модификации в тканях запускает линьку.