ли оно у дрожжей, в пыльнике лилии (см. следующий раздел) или в семеннике человека — осуществляется программа/ развития, альтернативная программе роста и деления вегетативных клеток. В каждом случае превращение диплоидных материнских клеток в гаплоидные дочерние связано с целым рядом морфогенетических и биохимических событий, происходящих в определенной хронологической последовательности. Эти процессы, сбалансированные и в количественном отношении, приводят к возникновению клеток, резко отличающихся от исходных. То же самое справедливо и для преобразований, происходящих при слиянии гамет и образовании диплоидной зиготы, снова вступающей в цикл вегетативного роста. При изучении этих явлений были сформулированы основные вопросы биологии развития. Каковы пусковые механизмы, определяющие осуществление той или иной программы развития? Какие морфогенетические и биохимические события специфичны для переключения одной программы развития на другую? Как они регулируются?

Отступление: как без особого труда изучить мейоз у лилий? Пыльник лилии состоит из центральной массы микросиороцитов, одновременно претерпевающих мейоз и окруженных слоем питающих клеток, которые создают условия, обеспечивающие синхронное развитие микроспороцитов. Пыльпики можно вырезать из почек и осторожно выдавить из них микроспороциты. Извлеченные из пыльников клейкие нитевидные структуры суспендируют в жидкой среде (рис. 7-6). В этих условиях микроспороциты синтезируют ДНК, образуют хроматиды и претерпевают два мейотиче-ских деления столь же синхронно, как это происходит и в цветке лилии (рис. 7-7). Отличие заключается в том, что в условиях культуры для изучения этих процессов можно использовать такие биохимические и цитологические методы, которые не применимы при работе с иптактным растением.

Водная плесень — Blastocladiella emersonii

На рис. 7-8 показан жизненный цикл В. emersoniL Цикл начинается с прорастания зооспоры и образования вегетативной клетки. Зооспора представляет собой очень маленькую, яйцевидную клетку, которая плавает в воде благодаря движениям единственного жгутика. Зооспора плавает довольно долго и питается запасенными веществами, не поглощая ничего извне. Под влиянием определенных внешних факторов (см. пиже) зооспора прекращает двигаться и прорастает, образуя вегетативную клетку. Жгутик втягивается, и появляется локальный вырост — ростковая трубка. Теперь клетка начипает поглощать питательные вещества из окружающей среды, быстро растет и в конце концов увеличивается в размерах в несколько сотеп раз. Благодаря многократным митотическим делениям единственного диплоидпого ядра возникают сотни дочерних ядер. Одновременно увеличивается размер ростковой трубки, она ветвится, образуя корпеобразную сеть — ризоид, который служит для прикрепления к субстрату, подобно корневой системе растения, и, увеличивая поверхность контакта с окружающей средой, способствует транспорту питательных веществ и удалению продуктов распада. В это время разросшийся организм представляет собой громадную, но все еще единственную многоядерную клетку. В ней вскоре возникает поперечная стенка, разделяющая исходпую клетку на две: очень маленькую нижнюю, состоящую в основном из ризоида, и очень крупную верхнюю, содержащую почти все ядра и цитоплазму. Первая клетка выполняет только опорную функцию и в дальпейРис. 7-7. Стадии мейоза микроспороцитов лилии. А — 3, Клетки на различных стадиях мейоза.

шем дегенерирует. Во второй клетке вокруг каждого ядра концентрируется цитоплазма и формируется клеточная мембрана, в результате возникают одноядерные клетки — зооспоры. Вскоре в наружной стенке материнской клетки (теперь называемой спорангием) появляются поры, и зооспоры выходят через них в окружающую среду.

Рис. 7-9. Схематическое изображение стадий прорастания споры

у Blastocladiella.

А. Зооспора. Б. Округлившаяся клетка. I. В. Округлившаяся клетка II. Г. Прорастание. 1 — базальное тело, 2 — ядрышко, 3 — ядро, 4 — рибосомы, 5 — гамма-частица, 6 — мультивезикулярное тело, 7 — пузырек, 8 — липидные гранулы, 9 — боковое тело, 10 —жгутик, 11 — митохондрия, 12 — слияние пузырьков, 13 — эндоплазматическая сеть, 14 — клеточная стенка, 15 — аксонема жгутика, 16 — ростковая трубка.

Прорастание зооспоры — морфогенез без синтеза белка. Прорастание зооспоры представляет собой особенно интересное явление (рис. 7-9). У зооспоры нет твердой оболочки, и, подобно клеткам животных, она окружена пластичной липопротеиновой мембраной. Ее ядро относительно невелико, к нему прилегает очень большая ядерная шапочка, содержащая все рибосомы клетки, образующие компактную массу. Единственная гигантская митохондрия также находится в контакте с ядром. По всей цитоплазме разбросаны многочисленные мелкие пузырьки, заполненные жидкостью. На этой стадии клетка не синтезирует ни РНК, ни ДНК, ни белки, ни полисахариды. Опа только перерабатывает запасы глюкозы в энергию, необходимую для непрерывного движения (количество энергии по отношению к размеру клетки очень велико). При попадании зооспоры в среду с любой из одновалентных солей ее жгутик быстро втягивается и дезагрегируется. Клетка из яйцевидной превращается в округлую, и вокруг нее начинает образовываться твердая наружная стенка. Из ядерной шапочки освобождаются рибосомы. Гигантская митохондрия распадается на множество митохондрий нормального размера. Пузырьки вытягиваются, сливаются с цито-плазматической мембраной и исчезают. Наконец, на клеточной поверхности появляется вырост; он вытягивается, образуя ростковую трубку. Клетка снова готова к тому, чтобы начать усваивать питательные вещества, синтезировать ДНК, РНК, белки и т. д., т. е. расти.

Ясно, что прорастание зооспоры связано с очень сложными морфологическими изменениями — распадом старых органелл клетки и сборкой новых, совершенно меняющих форму и функцию клетки. Почти все преобразования такого рода сопровождаются коренными изменениями синтеза макромолекул, в особенности РНК и белка. Одпако зооспора у Blastocladiella может нормально прорастать при полном отсутствии синтеза РНК и белка, и это, по-видимому, связано с перераспределением предсуществующих веществ. Таким образом, нельзя все события развития объяснять только но общеизвестной схеме: на матрице ДИК синтезировалась РНК, а на ней белок; всякий раз следует изучить, как взаимодействуют белки и другие клеточные компоненты после их синтеза.

Окончательная форма спорангия: обычный (ОС) или резистентный (PC). Растущая вегетативная клетка может развиваться по одному из двух альтернативных путей, образуя либо обычный, тонкостенный, бесцветный спорангий (ОС), либо прочный, толстостенный, коричневый, резистентный спорангий с глубокими ямами на поверхности (PC). Как отмечено на рис. 7-9 и в табл. 7-2, эти спорангии отличаются очень существенными структурными и биохимическими особенностями.

Тип спорангия зависит от концептрации СО2 в атмосфере. При высокой концептрации все растения формируют PC, при низкой — ОС. Весь цикл от начала прорастапия зооспоры до появления зрелого хпорангия занимает около 100 ч. Если растения вначале выращивать в условиях низкой концентрации СО2 (что в конце концов привело бы к развитию ОС), а затем через несколько часов перенести в атмосферу с высокой концентрацией СО2, то они еще в состоянии измепить направленность развития и сформируют PC. Но если время пребывания в условиях низкой концентрации СОг будет превышать 20 ч, то развитие необратимо детерминировано и повышение концентрации СО2 уже не окажет влияпия. Этому моменту исследователи дали поэтическое название: точка, из которой нет возврата (point of no return).

Точно такой же момент существует и в процессе формирования PC. Так, если растения содержать при повышенной концентрации

СОг до 43 ч, а затем перенести их в условия низкой концентрации СОг, то они еще могут изменить направление развития и образуют ОС, но, если время пребывания в условиях повышенной концентрации СОг превысит 43 ч, детерминация необратима и даже при снижении концентрации СОг формируются только PC. Влияние концентрации СОг на метаболизм В. emersonii и молекулярные механизмы детерминации ОС и PC в настоящее время интенсивно изучается.

До сих пор мы рассматривали явление детерминации у двух организмов — спорообразующих бактерий и Blastocladiella. Мы неоднократно будем сталкиваться с этим явлением при изучении дифференцировки клеток колониальных микроорганизмов И высших растений и животных. Для того чтобы клетка дифференцировалась в определенном направлении, необходимо создать 'особые условия окружения в течепие определенного периода времени, но, когда этот период пройден, клетка детерминируется. В дальнейшем она уже не нуждается в специфических стимулах и, несмотря па их отсутствие, будет развиваться по ранее выбранному пути.

Морфогенез водоросли Acetabularia

Зеленые водоросли — ацетабулярии — обитают в умеренных и субтропических морских водах. Как показано на рис. 7-10, клетка состоит из большого зонтика -с листообразными лучами, расположенными, как лепестки маргаритки, длинного стебелька, кор-необразного отростка внизу стебелька-, называемого ризоидом. Стебелек у взрослых особей может достигать 4—6 см в длину, а зонтик — до 1 см в диаметре. Растущая клетка содержит единстПокоящаяся

Рис. 7-10. Жизпенный цикл Acelabularia mediterranea.

В лаборатории в отличие от природных условий развитие водоросли из зиготы завершается в течение нескольких месяцев. 1 — ядро, z — ризоид, з — стебель, 4 — зонтик.

венное, очень крупное ядро, обычно расположенное в ризоиде, но иногда в нижней части стебелька: Полный жизненный цикл Acetabularia mediterranea в естественных условиях, составляет около трех лет. После первого года роста клетка состоит из ризоида, с помощью которого водоросль прочно прикрепляется к субстрату, и цилиндрического стебелька без зонтика. Осенью стебелек эасыхает и отваливается, остается только ризоид, который зимой живет за счет запасенных питательных веществ. Следующей весной .вырастает новый стебелек и образуется зачаток зонтика, осенью они вновь погибают. На