я, созревания и размножения Приблизительно одинаково, пока популяция продолжает расти.

Вернемся к пашей бактериальной культуре. Приведенные выше положения означают, что 1) в экспоненциальной фазе роста каждая бактериальная клетка дает две, две — четыре, четыре — восемь и т. д. и 2) для того чтобы из одной клетки возникло две, из двух — четыре и т. д., требуется одинаковое время. Предположим,

J. Зависимость числа клеток от времени культивировании. II, Зависимость логарифма числа клеток от времени культивирования. Обратите внимание на то, что в этом случае лаг-фазе соответствует прнмая линия. Когда клетки в экспоненциальной фазе роста переносят в богатую среду, содержащую все необходимые для роста питательные вещества (аминокислоты, витамины и т. д.) или большинство их, клетки продолжают расти без лаг-фазы. Переход в экспоненциальную фазу не 4 зависят от исходной плотности клеток (ср. А я В). Когда те же клетки переносят в бедную среду, лишенную готовых питательных веществ, они прекращают рост й переходят в лаг-фазу. Чем меньше высенно клеток, тем длиннее лаг-фаза (ср. В и Г). Если в бедную питательную среду пересадить клетки, прошедшие фазу экспоненциального роста (сохранив исходную плотность клеток), то лаг-фаза удлинится (ср. Г и Д). Однако, перейдя в фазу экспоненциального роста, все клетки растут с одинаковой скоростью. Во всех случаях до перехода в стационарную фазу достигается одинаковая плотность популяции.

что генерационное время равно одному часу. Тогда численность популяции удваивалась бы каждый час. Если изменения числа клеток во времени изобразить графически, то получится кривая, представленная на рис. 6-3. Это только первая часть S-образной

Рис. 6-3. Перван часть S-образной кривой роста бактерий.

Потомство дает каждый организм (в данном случае из каждого исходного образуется два), и время генерации постоянно.

кривой. Когда период активного роста заканчивается, клетки на-, чинают гибнуть, а не размножаться, а те, которые еще могут размножаться, теперь затрачивают на это более часа, в результате появляется вторая часть S-образной кривой.

Если бы рост происходил неограниченно, то кривая роста просто поднималась бы с возрастающей скоростью. Интересно представить себе, что случилось бы с нашей планетой, если бы рост, предположим, бактерий был неограниченным, В оптимальных условиях один из видов бактерий — Е. coli — может делиться каждые 20 мин. Таким образом, если бы исходно была одна клетка, то через 20 мин было бы две, через 40 мин — четыре, через 60 мин — восемь и т. д. Ряд чисел 1, 2, 4, 8 можно выразить как 2° ( —1); 2'(=2); 22(=4); 23(=8). Обратите внимание на то, что показатели степени отражают число прошедших генераций. Поэтому число клеток после п генераций будет равно 2П. Поскольку генерационное время для Е. coli равно 20 мин, то в течение одного часа могло бы быть три генерации, а за один день 24*3 = 72. Другими словами, если бы рост был неограничен, то одна бактериальная клетка дала бы за 24 ч 272 —4-1022 клеток. Такое число бактериальных клеток весило бы 3,5 млн. кг. Мы были бы буквально по уши в бактериях

Таблица 6-1 Время удвоения массы организмов

Escherichia coli 20 мин

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae 1 ч

Инфузория Paramecium aurelia 5 ч

Личинка мухи 13 ч

Клетки HqLa человека 24 ч

Шелковичный червь 68 ч

Кролик в момент рождения 6 дн.

Свинья в момент рождения 6—7 дн.

Овца в момент рождения 10 дн.

Морская свинка в момент рождения 18 дн.

Лошадь в момент рождения 60 дн.

Человек в момент рождения 180 дн.

То же самое относится и к более высокоорганизованным животным. Каждый, кто имел дело с кроликами, знает, что для того, чтобы их размножить, надо в отличие от бактерий, иметь по крайней мере пару (соответствующего пола). В дальнейшем все обстоит так же, как у бактерий т. е., чем больше кроликов у вас есть, тем больше их вы получите. Поэтому при определенных условиях питания и расселения размножение колонии кроликов и популяции любого другого животного происходит в соответствии с S-образной кривой. Следует заметить, что два кролика не обязательно дадут только четырех, а четыре — только восемь, в действительности так почти никогда не бывает. Если бы с каждой генерацией число организмов увеличивалось более чем в два раза, то форма кривой не изменилась бы, кривая стала бы только более крутой.

1 Детальное обсуждение кинетики роста приведено в специальном разделе в конце главы.

Стационарная фаза. К концу экспоненциальной фазы все больше клеток начинает гибнуть, а выживающие затрачивают все больше времени для воспроизведения потомства. В конце концов скорость гибели клеток так увеличивается, а скорость их роста так снижается, что клетки появляются и погибают с одинаковой скоростью, и общее число живых клеток остается постоянным. Это и есть стационарная фаза.

Почему же клеточная популяция прекращает рост? Что его ограничивает? Есть по крайней мере две общие причины:

1. Исчерпываются запасы необходимых питательных веществ. Если для роста организма требуются определенные питательные вещества, а запас их иссякает, то организм прекратит рост независимо от того, сколько осталось любых других питательных веществ. Результат будет одинаковым исчерпается ли запас витаминов, аминокислот, источника энергии, ионов металлов или кислорода. Прекращение роста может быть едва заметным событием, как, например, в культуре бактерий, или стать драматическим, как это случилось с популяцией леммингов Аляски, которые, исчерпав запасы пищи, массами погибали в неистовых миграциях, бросаясь в океан.

2. Окружающая среда становится слишком токсичной для продолжения роста. Организмы в процессе роста выделяют отходы и загрязняют таким образом окружающую, среду. Пока число организмов невелико, концентрация отходов невысока и не отравляет их. Когда же число организмов велико, скорость образования отходов увеличится и их концентрация в окружающей среде возрастет до токсического уровня, жизнеспособность организмов понизится до такой степени, что они не смогут больше расти, а может быть, даже жить

Контактное торможение — свойство, присущее нормальным клеткам животных

1 Необходимо упомянуть один особый случай, относящийся, в частности, к популяциям животных и растительных организмов, а именно прекращение роста не из-за токсических веществ, а из-за эпидемий, вызванных паразитами. Эпидемии подобны цепным ядерным реакциям в том отношении, что плотность популяции должна превысить критическую, прежде чем может возникнуть эпидемия. Когда численность популяции животного или растения значительно возрастает, может вспыхнуть эпидемия, которая резко снизит эту численность. Затем начнется следующий цикл роста.

В чашку Петри на питательную среду высевают клетки животного, взятые, например, из печени, хряща или любой другой ткани или органа. Клетки прилипают к поверхности стекла и начинают расти и делиться. Наконец их стаповится так много, что они образуют сплошной монослой, и рост прекращается. Остановка роста вызвана, вероятно, не теми причинами, которые были упомянуты выше. А именно:

1. Запас питательных веществ, по-видимому, не исчерпан. Если питательную среду перелить в другую чашку Петри и пересадить в нее небольшое число клеток, то рост возобновится.

2. Прекращение роста не связано и с токсичностью среды. Если старую среду слить и к монослою добавить свежую, то рост клеток не возобновится, даже если объем свежей среды во много раз превысит объем старой среды (таким способом автоматически снижается концентрация токсических продуктов).

^ 2

/ /

/ /

Время

Рис. 6-4. Рост нормальных и злокачественных клеток на питательной среде.

В чашку Петри на питательную среду поместили равные количества мышиных клеток двух типов: нормальных фибробластов (1) и клеток саркомы (2). Рост нормальных клеток прекращается в тот момент, когда образуется сплошной слой клеток толщиной в одну клетку. Злокачественные клетки продолжают расти до тех пор, пока не обра--вуется слой толщиной в несколько клеток. К этому времени число злокачественных клеток значительно превышает число нормальных.

Все это привело к представлению о том, что остановка роста монослоя связана с постоянным контактом клеток друг с другом. Контакты между участками поверхностей клеток вызывают существенные изменения в физиологии клетки и приводят к торможению роста; отсюда и возник термин «контактное торможение». Действительно, исследования в световом микроскопе показали, что когда между клетками сохраняется контакт, то их поверхности претерпевают значительные изменения, а биохимическими методами обнаружено, что в этом случае происходит резкое снижение скорости синтеза ДНК, РНК и белка.

Приведенные выше наблюдения справедливы для клеток нормальных тканей. Однако их нельзя распространить на клетки, выделенные из злокачественных опухолей. Последние не прекращают рост до тех пор, пока не образуется сплошной слой толщиной в несколько клеток. Более того, когда в одной чашке Петри смешивали клетки из нормальной и опухолевой ткани, то у первых наблюдалось контактное торможение, а у вторых —нет (рис. 6-4). При этом в клетках злокачественной опухоли, находящихся в контакте е другими клетками, не обнаружены ни морфологические, ни биохимические изменения.

Показано, что некоторые злокачественные опухоли типа сарком вызываются вирусными инфекциями. Например, был выделен и очищен вирус саркомы SV-40, его инъецировали лабораторным животным и показали, что у них при этом образуется саркома, из которой снова можно выделить тот же самый вирус. Если обычные клетки мышей, растущие в чашках Петри, инфицировать вирусом саркомы, то некоторые из них не погибают, а продолжают совершенно нормально рдсти. Однако у них больше не наблюдается контактного торможения! Они теперь образуют сплошные слои толщиной в несколько клеток, а если их инъецировать мышам, образуются злокачественные опухоли!

В настоящее время явление контактного торможения изучается многими биологами, поскольку оно имеет важнейшее значение для понимания того, как в организме регулируется