Как на ББС начиналось изучение морфогенеза гидроидов

Л.В. Белоусов

Мы, вместе с моим сокурсником Эдиком Казанцевым, под какими-то научными предлогами напросились туда у Николая Андреевича Перцова. Говорят, мы с Эдиком были друг на друга очень похожи, что позволило широко известной тогда факультетской общественнице Ляле Розановой вывести нас в своем очерке (удостоенного новомирской публикации) в качестве единого персонажа – Эдика Черноусова, упорно уклоняющегося от общественной работы, но, в конце концов, перековавшегося. Вот мы, едины в двух лицах, приехали в Пояконду солнечным августовским днем и по удивительному совпадению – в одном поезде со Львом Александровичем Зенкевичем и его довольно многолюдной свитой. Поэтому нас встретили по высшему тогдашнему разряду и тут же повезли на биостанцию в длинном караване лодок, буксируемых моторным вельботом.
Караван замыкался лодкой, плотно набитой кирпичом, на котором, повязанный красным пиратским платком, восседал Сережа (для всех он был Сереня) Богословский. До сих пор не понимаю, как все это сооружение не пошло ко дну, увлекая за собой и нас в передних лодках.

(«Наш старый катер шел не ходко,
От дальнего пути устав,
И тихо чайки спали в лодках,
По банкам крылья распластав»)
(Таня Бек)

И так мы тянулись и тянулись по зеркальной воде залива мимо лесистых островков в какой-то сказочный мир, а когда, наконец, причалили, и пахнуло смолой и краской от нескольких лежащих на берегу суденышек, ощущение таинственного острова уже не отпускало.

Все последующие две недели, несмотря на ежедневные строительные работы и скудное пропитание, запомнились мне как один непрекращающийся карнавал – череда дней рождения, каждый с долгой подготовкой, разучиванием интермедий Илюши Глезера и виршей Семена Милейковского и, наконец, как венец всему – праздник по поводу прибытия долгожданного папанинского подарка – катера «Ломоносов». Земля дрожала!

Была и наука – вся умещавшаяся в кубрике, где мы плечом к плечу сидели за старенькими рейхертовскими микроскопами (с прекрасной, надо сказать, оптикой) и рассматривали каждый свое, а иногда и чужое. Н.А. Перцов заходил к нам каждое утро и строго смотрел каждому в микроскоп, требуя отчета об увиденном.

Милейковский тоже подзывал меня к планктонным личинкам, которыми он занимался, включая загадочного цифонаутеса, и выдразнивал за то, что я, эмбриолог, не мог ничего ему в них объяснить. Эти уроки впоследствии еще как пригодились. Но уже тогда пленили гидроиды и больше всего – розовые кустики Clava multicornis, в гонофорах которых просвечивали зародыши самых разных стадий развития.

Вообще море было замечательное, литораль – еще не разграбленная последующими поколениями студентов.  На больших отливах жирные розовые Aeolidia будто грелись на зарослях аскофиллума, из слоевищ которого торчали куртинки тех же Clava, а чуть глубже росли целые леса жестких ельчатых Dynamena и мягких ветвистых Obelia. Как китайские фонарики, светились медузы Coryne, сидящие на прикрепленных к большим камням колониях.

Следующий мой приезд состоялся через год, в 1958 г., когда я находился уже в статусе аспиранта кафедры эмбриологии с заданием заняться «чем угодно, но только беспозвоночным» и безо всякого научного руководителя. В этот раз я оказался в блестящем обществе, возглавляемом двумя прославившимися вскоре физиологами – Д.А. Сахаровым (он же – поэт Сухарев) и Г.А Бузниковым. С нами прибыл целый студенческий интернационал, где Россию представлял только колоритный сибиряк Олег Никитин, а другими были: монгол Цегмид Гэлэг, китаец Фан, вьетнамец Лонг, итальянский коммунист Пьетро Вольпе (будивший нас по утрам терцинами Данте) и румынка Марго Штефанеску. По крайней мере, пятеро из этой компании (включая Вольпе и Лонга) стали в свое время докторами-профессорами, а Цегмид (тогда – мой первый, и притом «гидроидный» дипломник) – чрезвычайным и полномочным послом Монголии в ГДР! А тогда все мы теснились за своими микроскопами в хилом приморском сарайчике, к самому порогу которого на сильных приливах плавно подступало море. Сухарева это вдохновило на стихи:

И я сижу, и я гляжу,
И мне мигает линза –
Мол, до чего же он един –
Мир социализма!

На что Бузников замечал, что если линза мигает – микроскоп надо выбрасывать. Впрочем, Д.А. сам вскоре признал, что сглазил насчет единства. Больше удались ему  стихи о наших общественных работах:

Нам поручена работа –
Мы смолим бока у бота.
К морю баком бот лежит,
По рубахам пот бежит…

В выборе объекта для диссертации я долго не колебался – конечно, гидроиды – их так много, и они такие красивые!

Возникла идея разобраться в «поведении клеток» при морфогенезе вегетативного поколения. И, вместе с тем, терзала мысль, что все это давно уже известно и подробно описано, и я только не могу найти литературу. При тогдашних трудностях доступа к мировой научной литературе (которые сегодня и вообразить нельзя) в этом сложно было разобраться.

Исходя из аналогии с зачатками растений, я предположил, что почки растут путем направленных делений клеток (двумя годами позже я узнал, что именно это полагал доказанным один из крупнейших знатоков развития беспозвоночных – канадский зоолог Berrill). Их-то я и начал искать на гистологических срезах. К удивлению моему, однако, в развивающихся почках митозы практически отсутствовали, хотя в базальных частях их было немало. С другой стороны, поражала двигательная активность клеток, как в проксимальных, так и в дистальных отделах колоний. Я стал внимательнее присматриваться к изменениям плотности клеточного расположения на последовательных стадиях развития. Получалось, что клетки активно смещаются друг относительно друга, причем если в базальных частях такие смещения случайны и преходящи, то в дистальных, напротив, закономерны и устойчивы. По тем временам это выглядело необычно.

Через два года мне предложили рассказать о своей работе на коллоквиуме ББС, где в числе немногих, но строгих слушателей были В.А. Броцкая и Г.Г. Абрикосов. Мои заявления, что гидроиды развиваются почти без участия клеточных делений, путем только лишь перераспределения клеток, были встречены с недоверием, а Г.Г. так просто поднял меня на смех: «Что же, у вас клетки в воду ползут, что ли?» Я страшно обиделся, что, как часто было в моей жизни, оказалось полезным. Чтобы продемонстрировать реальность клеточных движений, я решил окрасить гидроид нильблаусульфатом, прочно его закрепить и заснять под слабым освещением и с длительной (полчаса) экспозицией этого участка колонии под могучей фотоустановкой — «гармошкой», в надежде зарегистрировать нечто вроде треков движущихся клеток. Но для этого нужен был водно-иммерсионный объектив ×40, а единственным на всей ББС таким объективом владела В.А.

Я пошел выпрашивать у В.А. объектив, говоря, что он нужен мне «на минуту», только чтобы посмотреть, подходит ли он к фотоустановке. В.А. легко разгадала мою хитрость, глаза ее блеснули: «Предположим, что он подходит. Что дальше?» Пришлось раскрыть карты, но объектив был все-таки получен, и осуществлена 30-минутная экспозиция верхушки стебля Obelia при слабом освещении. Проявив пластинку и промыв ее в ручье, наряду с ожидаемыми треками окрашенных клеток я увидел нечто более удивительное – 7 четких полукружий на верхушке, нечто вроде годовых колец с оптической плотностью, ослабляющейся в дистальном направлении (Рис. 1А).

Еще мокрую пластинку посмотрели все немногие тогда сотрудники станции, во главе с Н.А. Перцовым – «Да, в этом что-то есть!».

Именно процесс ростовых пульсаций у гидроидных полипов и стал главной темой наших дальнейших исследований на ББС. Решающий сдвиг здесь произошел благодаря применению цейтрафферной киносъемки. Этим мы обязаны замечательному человеку – физику Л.А. Баденко из Ленинграда, глубоко и вместе с тем как-то по-детски интересующимся биологией. Он привез  собой приятелей, крепких ребят с тяжеленной аппаратурой (другой тогда не было), к установке подтащили чуть ли не все аккумуляторы, которые были на станции, и кинокамера стала щелкать круглые сутки. Потом была кропотливая работа по проявке, печати и расшифровке увиденного.

В результате, при комбинировании с гистологией, стала понятной кинетика процесса – несколько десятков клеток в стенках растущей почки вели себя подобно гребцам, дружно наклоняясь то в одну, то в другую сторону, «формуя» верхушечный перисарк, пока он был еще мягким, и тем самым, создавая почку. Гидроиды оказались замечательными «морфогенетическими машинами» или, скорее, мастерами, подобными стеклодувам. Хотелось глубже разобраться в том, что движет этой механикой. И снова на помощь пришли ленинградцы – теперь в лице Ю.А. Лабаса, с его феноменальной эрудицией в самых различных областях биологии (и не только), который, увидев на гидроидном симпозиуме в Питере наши фильмы, весьма ими воодушевился. Он привез на ББС уникальную по тем временам машину – механограф, которая записывала смещения верхушки побегов при пульсациях, а также батарею ингибиторов. Снова пошли круглосуточные опыты.

Эти работы продолжались до конца 80-х годов, причем руководство ББС оказывало им постоянную поддержку – хотя к официальной тематике станции они имели мало отношения.

Полученные результаты можно суммировать в следующих пунктах:

1. «Рисунок» пульсации, т.е. диаграммы «время-амплитуды», оказался строго стадио- и видоспецифичным. Формы гидрантов (соотношения «длины-поперечники») ясным и однозначным образом зависели от этих «рисунков». Последние можно было изменять под воздействием некоторых фармакологических агентов, и тогда закономерно менялась форма гидрантов.

Рис. 1. Некоторые результаты работ по морфогенезу гидроидных полипов (Obelia loveni Pall.). А: тот самый первый снимок 1960 г., с которого началось исследование ростовых пульсаций (см. светлые «годовые кольца» на верхушке). Длительность экспозиции 35 мин. Б: один из опытов Ю.А. Лабаса по действию электрического поля на гидроидов, в данном случае – на взрослых гидрантов. У гидранта, обращенного дистальным полюсом к катоду, щупальца набухшие, у обращенного тем же полюсом к аноду – тонкие и расслабленные. Дистальная экспозиция к катоду способствует закачиванию воды в клеточные вакуоли, а экспозиция к аноду – выходу воды из вакуолей наружу.

2. Клеточный механизм пульсаций – это относительно медленная закачка воды извне в клеточные вакуоли на фазе растяжения зачатка и энергичный синхронный выброс ее обратно на фазе сокращения. В основе своей этот процесс осмотический.
3. С большой долей вероятности можно полагать, что выброс воды связан с возрастанием концентрации внутриклеточного Са 2+, а этот процесс, в свою очередь – с растяжением клеточных мембран (и активации механозависимых Са-каналов) на фазе закачки воды. Если этот так, то ростовые пульсации – саморегулируемый процесс с «+, — » обратными связями.
4. По ходу этих работ Ю.А. Лабас сделал замечательное открытие (к сожалению, оставшееся почти не замеченным): по признакам ростовых пульсаций гидроиды электрополярны в дисто-проксимальном направлении. Если поместить их в электрическое поле катодом со стороны верхушки, то они замирают на стадии «максимума» ростовых пульсаций, оставаясь с сильно набухшими клетками, а если со стороны верхушки поместить анод – эффект обратный, клетки остаются «выжатыми» (Рис. 1Б). Возможно, это указывает на полярное дисто-проксимальное расположение Са- каналов. К сожалению, этот цикл работ остался незавершенным.

Параллельно с этими работами Т.В. Остроумова выполнила цикл исследований по механизмам поляризации личинок Clava multicornis. Она показала, что морфологическая поляризация личинки не связана жестко с поляризацией яйцеклетки, а возникает de novo, под сильным воздействием механических факторов. Эти данные получили международное признание.

Рис. 2. Эмбриогенез и образование личинки у Dynamena pumila по данным Ю.А. Краус и В.Г. Черданцева. Обнаружена исключительно большая вариабельность на стадиях D-I. В это время зародыш представляет собой конгломерат многоклеточных торов. Поляризация зародыша и образование личинки связано с замыканием последнего из торов (H-J).

Н.А.Сахарова тщательно проследила ход дробления и формирование зародышевых листков у гидроидного полипа Dynamena pumila. Она обнаружила, что, несмотря на хаотичекий характер дробления, последовательные деления бластомеров заметно синхронизированы. Впервые была описана вариабельность путей развития, ведущая к одному и тому же конечному результату.

Эти исследования были активно продолжены и углублены В.Г. Черданцевым и Ю.А. Краус. При помощи более совершенных микроскопических методов были выявлены удивительные закономерности морфогенеза зародышей D. pumila. Оказалось, что на определенных стадиях развития зародыш представляет собой конгломерат клеточных агрегаций, каждая из которых имеет форму, близкую к тору (Рис. 2). В дальнейшем отверстия торов одно за другим замыкаются. Задний полюс личинки соответствует последнему по времени закрытия отверстию. Эти работы смыкают морфогенез гидроидов с современной теорией самоорганизации. Впрочем, удалось применить моделирование на основе теории самоорганизации также и к морфогенезу вегетативного поколения, протекающему на основе РП.

К сожалению, незавершенной осталась работа В.В. Моргуновой по морфогенезу актинии Bunodactis stella. Полученные данные, однако, внесли определенный вклад в решение интригующей проблемы о наличии третьего (среднего) зародышевого листка у Книдарий. В свете полученных данных видно, что у актиний клеточная масса, по ряду показателей сходная с примитивной мезодермой, закладывается раньше гастродермы, что может считаться весьма примитивным признаком.

Полученные на ББС данные по морфогенезу беспозвоночных (и в первую очередь – Книдарий) неоднократно обсуждались на национальных и международных научных конференциях и отражены в ряде публикаций, главные из которых приводятся ниже.

В заключение хотелось бы выразить запоздалую признательность всем сотрудникам биостанции и в первую очередь, конечно, Н.А. Перцову за постоянное внимание и поддержку наших работ.

Основные публикации по морфогенезу беспозвоночных на основе работ, выполненных на ББС

• Белоусов Л.В. (1960). Клеточные перемещения при морфогенезе гидроидного полипа Campanularia integra. Журн. общ. биол. Т. 21, № 4.
• Белоусов Л.В., Цегмид Гэлэг (1960). Химическая регуляция морфогенеза гидроидных полипов. Докл. АН СССР. Сер. Биол. Т. 130. № 5.
• Белоусов Л.В. (1961). Прижизненные наблюдения над клеточными перемещениями у гидроидного полипа Obelia flexuosa. Докл. АН СССР Сер. Биол. Т. 136 № 6. С. 1490-1493.
• Белоусов Л.В. (1967). Процессы упорядочения в морфогенезе гидроидных полипов. Научн. докл. высш. школы биол. № 6.
• Белоусов Л.В., Остроумова Т.В. (1967).Физиологические градиенты и морфогенетические процессы у гидроидных полипов. Журн. общ. биол. Т. 27. № 3.
• Белоусов Л.В. (1969). Ориентированные взаимодействия противолежащих клеточных пластов у гидроидного полипа Dynamena pumila. Докл. АН СССР. Сер. Биол. Т. 187. № 6.
• Белоусов Л.В., Лабас Ю.А., Баденко Л.А., Летунов В.Н. (1981) О пульсирующем росте у многоклеточных организмов. Докл. АН СССР. Сер. Биол. Т. 257. № 5. С. 1247-1250.
• Белоусов Л.В., Лабас Ю.А., Баденко Л.А. (1984) Ростовые пульсации и формы зачатков у гидроидных полипов. Журн. общ. биол. Т. 45. С. 796-806.
• Белоусов Л.В., Остроумова, Т.В. (1971). Детерминация морфологической полярности в эмбриогенезе гидроидных полипов. Журн. общ. биол. Т. 32. № 3. С. 323-331.
• Краус Ю.А. и Черданцев В.Г. (1999) Вариабельность и эквифинальность в раннем морфогенезе морского гидроидного полипа Dynamena pumila. Онтогенез Т. 30. С. 118-129.
• Краус Ю.А. и Черданцев В.Г. (2003) Экспериментальное исследование формирования передне-задней оси в раннем развитии морского гидроида Dynamena pumila. Онтогенез. Т. 36. С.365-378.
• Лабас Ю.А., Белоусов Л.В., Казакова Н.И., Баденко Л.А. (1987) Реакции на электрические поля как показатель связи между общеорганизменной и клеточной полярностью у гидроидных полипов. Онтогенез. Т. 18,№ 2. С. 154-168.
• Лабас Ю.А., Зинченко В.П., Белоусов Л.В., Казакова Н.И. (1989) Динамика и роль цитоплазматического свободного кальция в авторитмических ростовых пульсациях клеток развивающегося побега у колониальных гидроидных полипов. Журн. общ. биол. Т. 50, № 4.С. 504-515.
• Моргунова В.В., Белоусов Л.В. (1999) Радиализация и проблема зародышевых листков в онтогенезе актинии Ш Verr. Онтогенез. Т. 30, № 5. С. 346-352.
• Beloussov, L.V. (1973) Growth and morphogenesis of some marine Hydrozoa according to histological data and time-lapse studies. Publ. Seto Marine Biol. Lab. V. 20. P. 315-366.
• Beloussov, L.V. (1991) Basic morphogenetic processes in Hydrozoa and their evolutionary implications: an exercise in rational taxonomy. Hydrobiologia. V. 216/217. P. 61-67.
• Beloussov, L.V., Badenko, L.A., Katchurin, A.L., Kurilo, L.F. (1972) Cell movements in morphogenesis of hydroid polyps. J. Embr. Exp. Morphol. V. 27. P. 317-337.
• Beloussov, L.V., Dorfman, J.G. (1974) On the mechanics of growth and morphogenesis in hydroid polyps. Amer. Zool. V. 14. P. 719-734.
• Beloussov, L.V., Labas J.A., Kazakova N.I. (1993) Growth pulsations in hydroid polypes: kinematics, biological role and cytophysiology. In: Oscillations and Morphogenesis (L. Rensing ed.) Marcel Dekker. N.Y., Basel, Hong Kong.
• Beloussov, L.V., Labas J.A., Kazakova N.I. and A.G. Zaraisky (1989). Cytophysiology of growth pulsations in hydroid polypes. J. Exp. Zool. V. 249. P. 258-270.
• Beloussov, L.V., Ostroumova, T.V. (1969) Metabolic gradients and morphological polarization in embryonic development of hydroid polyps. J. Embr. Exp. Morphol. V. 22. P. 469-480.
• N.I. Kazakova, K. Zierold, G. Plickert, Ju.A. Labas and L.V. Beloussov (1994). X-ray microanalysis of ion contents in vacuoles and cytoplasm of the growing tips of a hydroid polyp as related to osmotic changes and growth pulsations. Tissue and Cell. V. 26, №5. P. 687-697.
• Kraus Yu. A. (2006) Morphomechanical programming of morphogenesis in Cnidarian embryos. Int. J. Dev Biol. 50. P.267-275.