Материал: Биология размножения и развития

Введение

Биология индивидуального развития - область науки, изучающая закономерности онтогенетического развития организмов. Она сформировалась в последние десятилетия на основе достижений экспериментальной эмбриологии, молекулярной биологии, генетики, цитологии.

Задача биологии индивидуального развития - исследование макро- и микроморфологических, физиолого-биохимических, молекулярных и генетических процессов, протекающих в развивающейся особи, выяснение факторов и механизмов, управляющих процессами развития на всех этапах онтогенеза животных, растительных организмов, а также одноклеточных форм. Столь широкий охват обусловлен распространенностью элементарных и общих закономерностей процессов развития в живой природе. Начало разработки проблем, которыми сегодня занимается биология индивидуального развития, восходит к 70-80-м годам прошлого столетия, когда на основе успехов сравнительной и эволюционной эмбриологии зародились методология и основные тенденции аналитической и экспериментальной эмбриологии, сформировались первые концепции о цитоэмбриологических механизмах наследственности. В начале века был создан фундамент всех тех областей эмбриологии, цитологии, генетики, биохимии, которые в последующем легли в основу биологии индивидуального развития. Бурный прогресс молекулярной биологии создал условия для дальнейшего их объединения, открыв доступ к пониманию наиболее тонких молекулярных механизмов эмбрио-цито-генетических аспектов процесса развития. В настоящее время знания в этой области продолжают углубляться и расширяться. Это создает трудности в однозначном и четком определении целей, методов и объектов биологии индивидуального развития. Их преодоление связано с дальнейшей разработкой проблем, относящихся к этой области, с учетом особенностей индивидуального развития организмов, отличающихся уровнем организации.

Для рассматриваемой области биологии характерен синтетический подход к изучению процессов развития, так как ее цель - познание закономерностей этих процессов применительно к целостной живой системе, создание единой концепции онтогенеза и разработка способов управления им.

Управление онтогенезом - необходимое условие для решения многих актуальных задач медицины и сельского хозяйства, прежде всего животноводства. Биология индивидуального развития животных призвана внести весомый вклад в реализацию задач Продовольственной программы по резкой интенсификации работ, направленных на выведение новых, ценных для животноводства пород сельскохозяйственных животных и их ускоренное воспроизводство. В последние годы в этой области биологии созданы фундаментальные и технические предпосылки для решения таких сложных и актуальных народнохозяйственных задач. На основе достижений экспериментальной эмбриологии, а также клеточной и генной инженерии разрабатываются методы манипулирования с яйцеклетками, эмбрионами сельскохозяйственных животных и их наследственным аппаратом с целью направленного вмешательства в процессы их воспроизводства и наследственность. Успешная реализация этих перспективных возможностей требует подготовки специалистов, способных проводить исследования на стыке эмбриологии, генетики, цитологии, молекулярной биологии.

РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ

Представления о развитии организмов в трудах мыслителей древности

Биология индивидуального развития - это область, формирующаяся в последние десятилетия путем синтеза ряда биологических дисциплин - эмбриологии, генетики, цитологии, биохимии и физико-химических направлений биологии (молекулярная биология, биоорганическая химия, биофизика). Процесс синтеза этих достижений в рамках биологии развития еще продолжается, и пока существует много неясного в вопросах о роли и вкладе той или иной дисциплины, их взаимоотношениях. Возникает, в частности, вопрос, имеется ли у такой широкой по профилю, многоплановой области науки единая методология и единство в понимании целей и задач, необходимых для любой научной дисциплины. Дискуссии по поводу этих вопросов будут продолжаться до тех пор, пока в рамках этой области продолжается объединение методов и знаний разнообразных дисциплин вокруг общей задачи - познания фундаментальных принципов и механизмов индивидуального развития живых существ всех уровней организации и разработка на этой основе методов управления воспроизводством и онтогенетическим развитием. Как сориентироваться в современной биологии индивидуального развития, в ее методологии, как определить будущее этой науки, выделить главные ее тенденции? Понять будущее науки помогает анализ прошлого, в данном случае - история становления биологии индивидуального развития, выявление ее истоков, роли и вклада в нее отдельных дисциплин.

Методология, основные цели и задачи биологии индивидуального развития на протяжении длительного времени формировались главным образом в области эмбриологии с ее многовековой историей борьбы, которую вели сторонники прогрессивной научной мысли. В современную эпоху эмбриология также остается основой биологии развития, потому что ей в наибольшей мере свойственны синтетический подход, понимание значения категорий целостности в индивидуальном развитии. Таким образом, эмбриология, вложив в биологию индивидуального развития основные методологические принципы и объединяя вокруг себя аналитические науки, направляет их достижения на решение главной задачи - раскрытие закономерностей индивидуального развития целостной живой системы. Остановимся на некоторых этапах истории эмбриологии.

Эмбриология - одна из наиболее древних наук. На протяжении длительной истории эта наука, олицетворяя глубокий интерес человека к тайнам зарождения живых существ, впитывала научно-технические и идейно-философские достижения, способствовала формированию научной идеологии.

Вопросы зарождения и развития новых особей были предметом многочисленных религиозных легенд и мифов. Не останавливаясь на этих моментах предыстории, а также на сведениях о примитивных эмбриологических представлениях в Египте и Древнем Востоке, обратимся к Древней Греции - стране, где впервые в истории человечества началась осознанная работа над теоретико-философскими основами наук.

Древнегреческому врачу и философу Гиппократу (460-377 г. до н. э.) приписывают сборник, в котором содержатся первые научные высказывания о развитии эмбрионов и факторах формообразования. В своих воззрениях Гиппократ основывался на предположении, что зародыш строится под действием «внутреннего огня»: части, более податливые огню, выгорают и на их месте образуются полости, другие - лишь ссыхаются и уплотняются и из них получаются стенки полостей. В результате возникают, например, органы пищеварительного тракта. По мнению Гиппократа, явления органического развития вполне можно объяснить свойствами неорганической материи. Кроме того, в их основе заложены принципы, которые позже стали характерны для концепций преформизма. Отличительная черта преформационных концепций - признание существования изначальных различий между частями зародыша (у Гиппократа - различия в «податливости» к огню) и мнение, что «отделение частей» (дифференцировка) происходит лишь в некоторый начальный момент развития, а в дальнейшем разделившиеся части только растут.

Во многом своеобразными были взгляды одного из величайших мыслителей древности, основоположника естественных наук Аристотеля (384-322 до н. э.). Эмбриологические факты, которыми располагал Аристотель, и его воззрения на развитие жизни подробно изложены в сочинении «О возникновении животных». Аристотель знал о развитии куриного зародыша уже почти все, что можно увидеть без специальной обработки и невооруженным глазом. Он имел немалые сведения по анатомии и физиологии организмов. Однако огромное влияние Аристотеля на последующую науку связано не столько с его фактическими наблюдениями, сколько с теоретико-философскими представлениями. Аристотель счел недостаточными для объяснения развития те, по современной терминологии, «механистические» причины, к которым сводил развитие Гиппократ. По Аристотелю, все природные явления определяются не только наличием нужного «неоформленного» материала («материальная причина») и начальным толчком («действующая причина»), но также «формальной (финальной) причиной» развития. Последняя есть «цель» данного процесса, та форма, к которой этот процесс стремится.

В противоположность Гиппократу Аристотель считал (и аргументировал конкретными примерами), что органы возникают не все сразу, а постепенно, один вслед за другим из бесструктурной вначале массы. Такое представление сделало Аристотеля основателем эпигенеза - противоположного преформизму учения о постепенном развитии, связанном с усложнением организации.

Развитие эмбриологии в XVI - XVII веках

Первые после античной эпохи систематические наблюдения за развитием зародыша цыпленка относятся, по-видимому, к концу XVI в. и принадлежат итальянскому натуралисту У.Альдрованди (1522-1605). Вслед за ним еще более подробные описания дали его ученик В.Койтер (1534-1576) и Д.Фабриций (1533-1619). Последний описал и изобразил зародышей многих позвоночных, но его работы имели скорее анатомический характер и не давали представлений о последовательном ходе развития.

Огромное значение для развития эмбриологии, как и всей биологии, сыграло появление в начале XVII в. первых микроскопов. С необозримым миром микроскопических объектов, открывшимся исследователям, знакомились бессистемно. Из числа первых исследователей, применивших микроскоп, были голландцы А.Левенгук (1632-1723) и Я.Сваммердам (1637-1680), итальянец М.Мальпиги (1628-1694). Одно из важнейших открытий в эмбриологии - обнаружение Левенгуком сперматозоидов в 1677 г. Этот же исследователь изучал партеногенез у тлей. Сваммердаму принадлежат первые работы по метаморфозу насекомых, а Мальпиги - по многим вопросам микроскопической анатомии, а также органогенезу зародыша курицы. Быстрое накопление фактического материала оживило и теоретические аспекты эмбриологии; возникло стремление осмыслить полученные факты. С этого времени и на протяжении более двухсот лет теоретическая работа в эмбриологии концентрировалась вокруг борьбы двух зародившихся еще в античные времена основных идейных течений - преформизма и эпигенеза.

Если представить себе изумление первооткрывателей микромира, увидевших множество тончайших структур там, где невооруженный глаз ничего не различал, а также, если учесть специфику развития наиболее доступных для них объектов - метаморфизирующих насекомых, нетрудно понять, почему в этот период, несмотря на огромный по тому времени технический прогресс, предпочтение отдавалось не эпигенезу, а преформизму. Действительно, основной тезис древних эпигенетиков о том, что наиболее ранние зачатки зародыша бесструктурны, легко опровергался данными микроскопии, которые свидетельствовали о существовании микроструктуры в ранних зачатках. В особенно яркой форме детальные микроструктуры, предвосхищающие организацию взрослых особей, обнаруживались в личинках и куколках насекомых, в бутонах растений. Широкое распространение получил рисунок, изображающий внутри сперматозоида готового «человечка» (рис. 1). Первоначально считалось, что авторы рисунка действительно видели в сперматозоиде «человечка» со всеми органами, позже возникло мнение о чисто символическом характере таких изображений. Но эти различия не так существенны. Сторонников мнения, что все детали строения предшествуют и предраспределены в сперматозоиде, стали называть преформистами-анималькулистами (animalculum - сперматозоид). Были и преформисты-овисты, считавшие, что организация будущей особи полностью представлена в яйце. Поводом к этому послужило открытие партеногенеза.