Текст книги "Животные анализируют мир"

Автор книги: Юрий Симаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 16 страниц)

Электростимуляторы роста и регенерации

Сколько бы мы ни рассуждали о морфогенетических полях, их природа для нас остается загадочной. Но один компонент этих полей явно действует на процессы формообразования и роста у живых организмов. Таким компонентом является их электрическое поле, создаваемое живыми клетками и отдельными органами. И тут ученые пошли еще дальше: они пытаются даже имитировать слабые электрические поля и ускорять регенерацию органов и тканей с их помощью, а иногда даже менять весь формообразовательный процесс.

Так уж получилось, что человек прежде всего познакомился со свойствами электрических полей – очень эффективное действие оказывают друг на друга заряженные объекты. Поэтому уже с конца XIX века исследователи начали проверять действие электрического поля на растения и животных, особенно во время роста и развития испытуемых объектов. Несовершенное оборудование и противоречивые результаты не позволили сделать объективных выводов. Но техника эксперимента оттачивалась, и уже в 1922 году Э. Лунд обнаружил интересную закономерность – слабые электрические токи, пропускаемые через среду, могут ориентировать плоскость первого деления в яйцеклетке бурой водоросли фукус. Первое деление шло в плоскости, перпендикулярной к направлению тока. Но еще более интересные результаты появились у того же автора, когда он изучал действие электрического поля на полярность регенерирующего гидроида.

Вспомните, в связи с морфогенезом мы уже говорили об этом странном беспозвоночном животном, похожем на веточку растения. Действительно, если отрезать кусочек обелии и поместить в электрическое поле, то куда он будет расти – верхним концом к положительному или отрицательному полюсу? Э. Лунд так и сделал. Он вырезал кусочек гидроида и поместил его на пятнадцати часов в электрическое поле с плотностью тока 0,02 миллиампера на квадратный миллиметр. Оказалось, что верхний конец всегда растет к аноду, или положительному полюсу. Ну а если кусочек обелии положить верхним концом к катоду, или отрицательному полюсу, – это же будет противоречить его собственному электрическому полю? И действительно, течение регенерации изменилось на противоположное. Нижний конец гидроида стал как бы верхним и начал расти к аноду. Более сильное внешнее электрическое поле подавило электрическое поле гидроида и заставило клетки поверить, что верхний конец находится в противоположной стороне. Опыты Э. Лунда были повторены другими учеными – такими, как С. Роуз, С. Смит, только на других беспозвоночных животных, способных к регенерации. Так, С. Роуз работал на гидроиде тубулярии, и у него получалось, что головной конец возникал всегда у катодного полюса независимо от ориентации куска гидроида. Как видим, другой объект и другие результаты.

Сходные результаты получились и при регенерации у планарий. Планариям отрезали голову и хвостовой отдел. Независимо от ориентации головной конец возникал всегда у катола. Но можно так подобрать плотность тока, что собственное электрическое поле планарий тоже будет оказывать воздействие на морфогенез. Тогда планария, помещенная хвостовым концом к катоду, начинает отращивать вместо хвоста голову, да и своя собственная голова растет на противоположном конце. И получается животное с двумя головными отделами, направленными в разные стороны.

Слабые электрические поля действуют на регенерацию не только у беспозвоночных животных; у позвоночных животных под действием электрических полей ускоряется регенерация конечностей, срастание костей и заживление ран. Всем известно, что переломы костей срастаются, или регенерируют. Но каково было удивление исследователей, когда они заметили, что переломы костей у земноводных сопровождаются изменением их электрического потенциала. Происходит как бы электрический всплеск, продолжающийся несколько дней, затем заряд из положительного переключается на отрицательный и медленно возвращается к исходному. Все эти электрические колебания Способствуют тому, что клетки крови, излившиеся в область травмы и давшие гематому, проходят расспециализацию. Эритроциты превращаются в клетки, напоминающие клетки эмбрионального типа, а затем из них образуется хрящ, который заменяется костью. Ученых заинтересовало: не электрическое ли поле способствует этому превращению клеток? Они проследили за поведением клеток в культуре при действии электрического поля. Оказалось, что культивируемые эритроциты начали терять признаки специализации и превращались в округлившиеся клетки, напоминающие клетки эмбриона. Значит, электрическим полем можно стимулировать регенерацию, и, возможно, высшие млекопитающие и человек только потому не могут отрастить утраченную конечность, что их собственный потенциал значительно уступает тому всплеску электрического поля, который наблюдается, скажем, у тритона, способного к регенерации конечности?

Роберт Беккер, ученый-ортопед, работающий в одном из госпиталей для ветеранов в США, решил провести электростимуляцию регенерации конечности у крыс. Он ампутировал на уровне плечевой кости конечности у двадцати однодневных крыс, а в оставшуюся часть мускулатуры вживил электроды. Сила тока подбиралась примерно такой величины, какая естественно возникает при удалении конечности у тритона. Контрольным крысам либо вообще культю не стимулировали, либо ток давали значительно большей величины.

Результат оказался положительным. У значительной части животных реконструировалась целая плечевая кость, практически неотличимая от нормальной. Правда, другие ткани не восстановились полностью и дали что-то похожее на одну из стадий регенерации конечности у саламандр. Роберт Беккер считает, что можно подобрать оптимальные условия электростимуляции, при которых регенерирует вся конечность у млекопитающих, а возможно, и у человека.

Таким образом, можно в какой-то мере считать, что электрическое поле играет значительную роль в «живом приборе», следящем за развитием или регенерацией частей организма. Но электрическое поле самого организма имеет сложный пространственный рисунок, который в настоящее время человек еще не может создать. И это неудивительно – ведь собственное электрическое поле организма формируется путем суммационного наложения отдельных микроскопических клеточных полей делящихся клеток. Экспериментаторы же, подключая искусственное электрическое поле, могут только внести искажение в кружевной пространственный рисунок электрического поля самого организма, которое играет важную роль в формообразующих процессах. И, как видно из приведенных выше примеров, – это действие не бесследно. К тому же электрическое поле не единственный компонент общего формообразующего поля, управляющего процессами морфогенеза. Частично уже исследовано действие магнитного поля живого организма. Но значительная часть других составляющих формообразующего поля еще не изучена.

Какое же воздействие может оказывать электрическое поле на процессы формообразования? Здесь тоже нет окончательного ответа, но существует несколько гипотез.

По одной из этих гипотез, которой придерживается С. Роуз, электрическое поле живых организмов своей пространственной конфигурацией влияет на транспорт специфических репрессоров, ведающих дифференцировкой клеток. Это создает картину химической цитодифференцировки, в какой-то мере отражающей пространственный рисунок самого электрического поля. Чтобы под-твердить эту гипотезу, были поставлены оригинальные опыты всё с тем же гидроидом табулярией. Если отрезки табулярии соединить последовательно, то верхний отращивает щупальца, у него образуется рот; а рост нижнего подавляется, он становится так бы хвостовым отделом. Ну а теперь попробуем соединить отрезки табулярии «лицом к лицу». Получается совсем другое дело: каждый регенерирует головной конец самостоятельно, как будто между ними нет взаимодействия. Исследователь С. Роуз объясняет это тем, что при последовательном соединении гидроиды образуют одно общее электрическое поле. Когда же их головные концы направлены друг к другу, то их поля не объединяются.

Конечно, гипотеза С. Роуза оригинальна, и опыты убедительны, но ведь предложенный механизм объяснения формообразовательных процессов, по-видимому, применим только к низшим организмам – таким, как кишечнополостные.

Другая гипотеза, разработанная рядом ученых, называется информационной. Есть мнение, что межклеточные связи, а следовательно, пространственная дифференцировка регулируются за счет безнервной передачи информации. Роль таких передатчиков информации в организме выполняют щелевые контакты, которые образуются на ранних стадиях развития. Авторы гипотезы предполагают, что расположение щелевых контактов определяется электрическим полем. Если слабое электрическое поле, созданное экспериментаторами, по своим параметрам будет близко к электрическому полю организма, то это может привести к передаче информационных сигналов и изменить процессы дифференцировки и роста.

Понимая всю сложность рассматриваемого вопроса, В. Р. Протасов приходит к выводу, что слабые длительно действующие электрические поля, несомненно, влияют на формообразовательные процессы, но их действие неоднозначно. Механизм воздействия электрических полей на процессы роста, развития и регенерации, возможно, опосредован изменением других полей, химический реакций и других биологических процессов.

Пытаясь понять механизмы формообразования и управления пространственной конфигурацией организмов, мы рассмотрели основные направления и пути, по которым идут ученые, чтобы раскрыть глобальную загадку биологии – процесс морфогенеза. Сами же механизмы и формообразовательные приборы окончательно не познаны, их контуры только вырисовываются в представленных здесь гипотезах. Время важнейших открытий в биологии еще впереди!

Глава девятая
ДАТЧИКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

Там, где отступают физика и химия

Защиту окружающей среды от промышленных загрязнений называют сейчас проблемой века. И неудивительно. Кого не волнует этот вопрос, ставший одним из самых актуальных и острых! Необходим четкий контроль за состоянием окружающей среды, и, чтобы предотвратить надвигающуюся опасность, нужны приборы, которые вовремя сообщат о сдвигах экологического равновесия в природе.

Созданы совершенные аналитические приборы, которые быстро выдают количественную оценку содержания того или иного вещества в воздухе, в воде или в почве, точно определяют его концентрацию. Но с экологической точки зрения сведений только о концентрации – мало. Для контроля за состоянием окружающей среды важны биологические эффекты, которые можно провести только с помощью «живых приборов», самих организмов, реагирующих на присутствие вредных веществ. Изучаются самые различные способы использования «живых приборов».

Во-первых, можно проводить биотестирование. Например, в водную среду вносятся гидробионты, живые организмы, обитающие в ней, и по их поведению, размножению, развитию и физиологическим показателям судят о наличии вредных веществ в воде. Сам организм выступает как датчик состояния окружающей среды и регистратор наличия вредных веществ в исследуемой пробе.

Биотестированием люди пользовались с давних времен: пищу перед употреблением проверяли на домашних животных. Известно, например, что многие восточные султаны специально держали в своих дворцах собак и перед каждой трапезой бросали им пищу для пробы и следили за их состоянием. А шахтеры брали в забои клетки с канарейками, которые начинали беспокоиться при первых признаках появления ядовитых рудничных газов, когда люди его еще не ощущали. Получается, что огромный газоанализатор непрерывного действия с автоматическим управлением и маленькая канарейка одинаково справляются с одной и той же задачей.

Какой бы совершенной ни была современная аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором», тонко реагирующим на токсические вещества. Ведь механизмы «живого прибора» формировались в процессе эволюции на протяжении многих миллионов лет. Правда, у «живого прибора» есть серьезный недостаток – он не может установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ благодаря своей высокой сверхчувствительности и анализу принятой информации. Но в этом есть и большое преимущество. Ведь с помощью физических и химических датчиков определяется одно и реже несколько веществ, а загрязнения бывают часто столь многокомпонентны, например сточные воды, что никакие созданные человеком приборы не смогут провести анализ этой смеси. Ведь в сточных водах встречаются сотни, а иногда и тысячи различных соединений. Вот здесь-то и выручат нас тест-объекты.

Во-вторых, «живыми приборами» могут стать сами организмы-индикаторы. Различные виды живых существ показывают, чем загрязнена окружающая среда. В загрязненных определенными веществами воде и почве могут жить только те организмы, которые приспособлены к высоким концентрациям тех или иных химических соединений. Вот такие виды и называются биоиндикаторами. Биоиндикацией так же, как и биотестированием, человек пользуется с незапамятных времен. По наличию некоторых видов растений человек находит воду, определяет соленость почв и обнаруживает полезные ископаемые. Иногда даже принимаются во внимание особенности строения организмов-индикаторов. Опытный глаз геолога сразу отметит: если появились уродливые формы растений, с наростами, с неправильным расчленением листьев, значит, в этой зоне можно искать битумы и нефть. По существу, это есть генетический индикатор, так как вредные фракции нефти нарушают морфогенез.

Не только видимые невооруженным глазом живые существа, но и микроскопические организмы могут «предупредить»

о надвигающейся опасности загрязнения. Основываясь на микроскопических анализах активного ила, технологи по‘организмам-индикаторам не только могут определить, хорошо ли идет очистка сточных вод, но и сказать, где нарушен технологический процесс, не хватает кислорода, где поступают слишком токсичные сточные воды, недостает органических веществ для микроорганизмов. Позже будет рассказано о том, как пользуются технологи этими «живыми приборами».

Наконец, с помощью организмов можно определять концентрации вредных веществ, оказывающих отрицательное действие на их жизнедеятельность. Так, можно установить нормы, превышение которых может нарушить взаимосвязи, сложившиеся во всем, живом сообществе.

Многообразна жизнь живого сообщества – биоценоза. Отточены связи между отдельными его звеньями. И если ядовитое вещество выбьет хотя бы одно наиболее чувствительное к нему звено, нарушение произойдет во всем биоценозе. Вот тут-то перед исследователями и встает задача найти не только «живой прибор», реагирующий на химическое соединение или излучение, а найти самый чувствительный к изучаемому фактору организм или даже отдельную стадию его индивидуального развития. Есть, оказывается, у «живых приборов» такая особенность, которой не встретишь у «железных коллег». В процессе развития, на определенных стадиях, чувствительность к вредным веществам у организмов может возрастать в тысячи, а иногда и в миллионы раз. Такие стадии чаще всего встречаются в эмбриональном периоде и называются они критическими. Поэтому токсикологу, пользующемуся «живыми приборами», в буквальном смысле надо ловить эти промежутки времени, поскольку критические стадии длятся иногда несколько часов.

Каким же образом можно найти в биоценозе наиболее чувствительные к данному веществу организмы? Ведь на различные вещества организмы реагируют тоже по-разному. Интересную схему эксперимента предложил профессор МГУ Н. С. Строганов – получить избыточную информацию, взять спектр концентраций исследуемого вещества и испытать его на представительных организмах биоценоза. Как бы смоделировать в лаборатории действие токсикантов на различные цепи живого сообщества.

В группу представительных организмов берутся наиболее изученные и хорошо культивируемые в лабораториях организмы из каждой цепи биоценоза. Например, в водном биоценозе есть первичные продуценты – водоросли и высшие растения. Они синтезируют органическое вещество, используя солнечную энергию и минеральные соли, имеющиеся в водоеме. Но сразу же находятся потребители органического вещества, или первичные консументы, все те, кто питается растениями: микроскопические рачки, заглатывающие одноклеточные водоросли, и даже огромные рыбы – такие, как белый амур и толстолобики. Первичные консументы – это уже второй уровень пищевых цепей биоценоза. А вторичные консументы питаются первичными. Это самые крупные водные животные, в основном рыбы. Они составляют третий уровень пищевых цепей в водоеме. Хищные рыбы и люди – это уже четвертый уровень. Наконец, не надо забывать самых малых тружеников – бактерий. Их задача – до конца редуцировать органическое вещество, трупы животных, органические остатки снова перевести в минеральные вещества и замкнуть тем самым вечный круговорот жизни – ведь минеральные вещества снова начнут использовать растения.

Из каждого уровня биоценоза отбираются представители для токсикологического эксперимента.

Из растений удобнее всего взять одноклеточные водоросли хлореллу и сценедесмус, а также всем известную ряску, иногда летом покрывающую всю поверхность маленьких водоемчиков. Из первичных консументов берут планктонных ракообразных, чаще всего дафний, которыми буквально кишат пруды, а из донных животных, питающихся растительной пищей, – моллюсков-прудовиков. И наконец, рыб на различных стадиях развития. Рыб лучше брать промысловых, так как именно их нужно защищать от вредных веществ. Очень чувствительной к токсикантам считается форель. И последнее. Нужно, чтобы и бактерии не пострадали от исследуемой на токсичность концентрации вещества: без них не завершится круговорот веществ.

Вот каким сложным путем приходится идти в настоящее время, чтобы, используя «живые приборы», установить предельно допустимую концентрацию вещества (ПДК). Понятно, что приходится пользоваться такой громоздкой схемой потому, что пока мы еще плохо знаем наиболее чувствительные периоды индивидуального развития у организмов и еще не разработаны теоретические основы реагирования живых систем на загрязнение окружающей среды. Со временем люди наберутся опыта и создадут наиболее гибкие системы, в которых «живые приборы» будут играть важную роль.

Рыбы-контролеры

Самый простой прием исследования токсичности воды – «рыбная проба». Наиболее чувствительных к вредным веществам рыб – окуней, ершей, форелей, щук, налимов и судаков – помещают в сетчатом садке в реку и ведут за ними наблюдение или же ставят опыты в аквариумах, заполненных загрязненной и чистой водой для контроля.

Напомню еще раз о тончайшей способности рыб определять в воде самые малые концентрации веществ и о строении аппарата, которым они производят этот анализ. Беспокойное поведение по сравнению с контрольными рыбами – это уже сигнал. Ну а если рыба начала терять ориентировку в пространстве, переворачиваться и даже гибнуть, значит, вода содержит вредные вещества в больших концентрациях.

В промышленности, где идет выпуск сточных вод на многих технологических линиях, уже поставлены аквариумы с рыбками. Рыбки сигнализируют о благополучном или неблагополучном положении с очисткой воды, сбрасываемой в водоемы.

Однако выживаемость – все же достаточно грубый показатель «живого прибора». В этом вопросе ученые и конструкторы пошли дальше, применяя приборы, регистрирующие поведение рыб и их физиологические показатели. Некоторые из этих биотестирующих установок весьма оригинальны. Примером такого биотестирующего устройства может служить длинный лоток с форелями, поставленный на выходе очищенных вод. В основу биотестирования положено биологическое свойство форели держаться против течения у притока, то есть там, где исследуемая вода втекает в лоток. Как только нарушается технологический процесс на линии или в воде появляется примесь вредных веществ, рыбы уходят в противоположный конец лотка, где находятся фотоэлементы, соединенные с системой сигнализации. Рыбы перекрывают лучи света, идущие через толщу воды от источников в фотоэлементы, и вслед за этим следует сигнал тревоги.

В некоторых случаях, чтобы форели случайно не заходили в зону фотоэлементов и не перекрывали лучи света, на заднем конце лотка создают слабое электрическое поле, которое рыбы достаточно хорошо ощущают и в чистой воде избегают его. При появлении же загрязнений они пренебрегают этим электрическим полем. Подобные биотестирующие установки работают на некоторых предприятиях в нашей стране и во Франции.

Могут ли рыбы кашлять? Оказывается, могут, но «кашель» их – это не что иное, как способ очистки жабер от различных загрязнений, когда посредством серии резких толчков загрязнения выбрасываются из жаберной полости. «Кашель» рыб давно известен и специалистам-ихтиологам, и любителям-аквариумистам, однако долго никому не приходило в голову использовать его. Группа сотрудников из Управления по охране природной среды США, возглавляемая Р. А. Драммондоном, несколько лет исследовала это свойство рыб на предмет применения его в биотестировании загрязнения воды. Они проверяли «кашель» у многих видов рыб и нашли, что лучше всего очищают свои жабры от загрязнений ушастый окунь, пескарь и форель. В чистой воде рыбы ведут себя спокойно, но достаточно в воду добавить примеси, как у рыб начинается приступ «кашля». Ученым удалось установить, что частота приступов зависит от степени загрязнения, а это уже первый шаг к созданию «живого прибора», показывающего величину загрязнения. К настоящему времени закончено создание промышленных систем, которые автоматически регистрируют «кашель» рыб, его частоту и подают сигнал тревоги, если загрязнение превышает установленные нормы.

А вот западногерманские токсикологи пошли несколько иным путем. Они решили регистрировать частоту электрических разрядов у нильской щуки в нормальной водной среде и при ее загрязнении. Здесь электрическая рыба используется как «живой прибор» дважды. Во-первых, рыба хеморецепторами очень тонко ощущает состав примесей в воде, а во-вторых, она «проверяет» показания своих вкусовых ощущений электрохимическим и электрическим способами. Посылая электрические импульсы и принимая их электрорецепторами, рыба реагирует на изменение электропроводности воды при появлении в ней примесей. Если вода загрязнена, нильская щука увеличивает частоту генерируемых электрических сигналов и тем самым сообщает, что пора принимать экстренные меры. Несмотря на высокую чувствительность живого электрического прибора, есть у него один недостаток – его нельзя использовать в шумной обстановке, при вибрациях, при наличии магнитных и электромагнитных полей. На все эти факторы нильская щука отвечает повышенной частотой генерируемых ею электрических импульсов.

Итак, рассмотрены интересные лабораторные и производственные биотесты, проводимые с помощью рыб. А можно ли проводить биотестирование непосредственно в водоеме? Здесь также достигнуты некоторые успехи. Французские ученые решили создать что-то наподобие рыбы-ищейки. Давно известно, что радужная форель обладает чрезвычайно острым «нюхом» и предпочитает жить в чистых источниках. Исследователи попытались установить, какова же способность форели реагировать на наличие примесей в воде. Выяснилось, что чувствительность необычайно высока: форель реагирует на примеси загрязнителей, величина которых не превышает десять нанограммов на литр. Для примера можно сказать, что такая концентрация регистрируется в автоцистерне с чистой водой, если в нее бросить щепотку соли. Оказывается, в мозгу форели существуют участки, ответственные за распознавание запахов. Причем электрическая активность этих участков и характер электрических импульсов зависят и от концентрации загрязнителя, и от его химической природы. В лабораторных условиях были расшифрованы электрические импульсы, соответствующие различным загрязнителям, таким, как пестициды, различные фенолы и другие вещества, содержащиеся в сточных водах. Появилась возможность по характеру электрических импульсов судить, какие вещества содержатся в воде и в каких концентрациях. Можно запускать форель-ищейку в водоем.

Для реализации этой цели биологи вживили в обонятельные области мозга радужной форели электроды и соединили их с миниатюрным передатчиком, прикрепленным к голове рыбы. Сигналы, передаваемые от рыбы, регистрировались приемником, расположенным на берегу. Правда, для их расшифровки понадобилось применение ЭВМ. Зато форель точно сообщала о присутствии в воде вредных примесей, об их концентрации и о месте, где произведен анализ. Обычными приборами такой анализ выполнить невозможно. Поскольку передатчик весит всего три грамма и не мешает форели, есть мнение, что рыба может успешно жить и «работать» с ним как «живой прибор» более двух лет.

Как видим, симбиоз сверхчувствительных живых датчиков и электронных анализаторов очень полезен.