книги из ГПНТБ / Крисс А.Е. Жизненные процессы и гидростатическое давление

ды деления у янц Arbacia punctulata и Chaetopterus pergamentaceus в условиях разных температур и давления. Опыты пока­ зали, что у яиц, обработанных этими веществами, ослаблялась способность образовывать борозду деления, так как требовалось давление на 500—1000 ф/д2 меньшее, чем в контроле, при каж­ дой из испытанных температур для блокирования начинающего­ ся процесса деления.

Тяжелая вода

Яйца Arbacia punctulata, помещенные в искусственную мор­ скую воду с 5%-ным содержанием тяжелой воды, спустя 40 мин. после обсеменения достигали стадии борозды синхронно с яйца­

1962). Авторы указывают, что применение 5% DoO заметно не влияло на гель кортикального слоя цитоплазмы, только 40%-ное содержание тяжелой воды вызывало его уплотнение.

Прогрессивно нарастающую задержку деления клеток в син­ хронизированной культуре Tetrahymena pyriformis, продолжаю­ щуюся 40 мин-, после теплового шока, наблюдали Lowe а. Zimmer­

Влияние тяжелой воды на задержку деления клеток синхро­ низированной культуры Tetrahymena pyriformis зависело от кон­ центрации D20, продолжительности его действия п времени, про­ шедшего после теплового шока (Lowe-Jinde, Zimmerman, 1969). Чтобы определить-, в какой мере высокое давление подавляет дей­ ствие тяжелой воды, клетки перед цитокинезом подвергали дав­ лению 3000 ф/д2 30 мин. в присутствии 30% D20. Опыты по­ казали, что по отношению к контролю при атмосферном давле­ нии в тяжелой воде задержка деления происходила у 20—45% клеток'; под давлением 3000 ф/д2 и в отсутствие тяжелой воды блокирование цитокинеза наблюдалось у 31—58% клеток; при совместном действии давления и D20 только 6—19%) клеток прек­ ращали деление. Авторы указывают, что эти соотношения отра­ жают эффект защитного действия тяжелой воды против разжи­ жающего влияния давления.

Влияние гидростатического давления и тяжелой воды на реге­ неративные процессы у Blepharisma intermedium было изучено Giese (1968). Интактные клетки лизировались через 5 мин. под

176

ми Strongylocentrotus purpuratus. Из табл. 68 видно, что при атмосферном давлении и 80 или 90% -ном содержании тяжелой воды все яйца, находившиеся на стадии ранней профазы, не только не завершали первое деление (на две клетки), но и не начинали его. При 70% бгО начали делиться 10% яиц. Лишь при 60%-ной концентрации БгО 5% яиц подошли ко второму де­ лению.

Повышение давления приводило к увеличению числа яиц, ос­ вобождаемых от дейтериевой блокады митоза. 85% яиц, пробыв­ ших под давлением 3500 ф/д2, 75% — под давлением 4000 ф/д2, 70% — под давлением 4500 ф/д2 и 15% — под давлением 5000 ф/д2, освободились от митотического блока, вызванного со­ ответственно 60, 70, 80 и 90%-ным содержанием D2O в морской воде, и закончили первое деление (табл. 68). Эта таблица позво­ ляет судить также о том, что с возрастанием концентрации тяже­ лой воды требовалось все более высокое давление для преодоле­ ния блокирования митоза.

Через 20 час. после перенесения яиц из опытных и контроль­ ных серий в свежую морскую воду можно было наблюдать пла­ вающие бластулы из яиц, не подвергавшихся влиянию тяжелой воды и высокого давления. На этой же стадии обнаруживалось не более 1% яиц, находившихся в морской воде с 60%-иым содержанием D2O. В опытах же с 70%-ной концентрацией тяже­ лой воды встречалось около 5% яиц с законченным вторым де­ лением. Что же касается яиц, которые находились в условиях совместного действия тяжелой воды и высокого давления, то среди них процент бластул приближался к контролю. Marsland а. Aste­ rita (1966) усложнили опыты по противодействию высокого дав­ ления блокированию митоза тяжелой водой. Они ввели еще тем­ пературный фактор. Вначале выяснилось, что с повышением тем­

178

пературы до 15, 20 и 25° требовалась более низкая концентра­ ция D20, чтобы вызвать блокирование митоза в яйцах Arbacia punctulata. В среднем возрастание температуры на 5° соответ­ ствовало 13,7% содержания тяжелой воды. При постоянной кон­ центрации ее (70%) поднятие температуры с 15 до 20° вызвало необходимость увеличения минимального давления, которое бло­ кировало митоз, почти на 2000 ф/д2. Однако такое соответствие не наблюдалось при подъеме температуры с 20 до 25°.

Для максимального снятия блокады митоза, вызванной тяже­ лой водой, при 15° нужно было меньшее давление (3500 ф/д2), чем при 20° (4500 ф/д2), однако дальнейшее повышение темпе­ ратуры до 25° уже не требовало увеличения давления. Привле­ кает внимание также тот факт, что давление не только противо­ действует «замораживанию» митотического аппарата, но и инги­ бирует процесс вакуолизации цитоплазмы, вызванный тяжелой водой.

Влияние на редукционное деление

Для суждения об этом Marsland а. Hirainoto (1964, 1966) использовали в качестве объекта ооциты морской звезды, Asterias forbesi. Критерием изменений в нормальном ходе развития под действием этих факторов являлась остановка в исчезновении за­ родышевых пузырьков, а также потеря способности образовы­ вать полярные тельца.

В необсемененных клетках блокада была полной в морской воде с 60% D2O, тогда как у обсемененных ооцитов она была не­ полной даже при 80%-ном содержании тяжелой воды. Давление 2000 ф/д2 в отсутствие тяжелой воды не вызывало каких-либо видимых признаков депрессии, но при 6000 ф/д2 она имела уже выраженный характер.

В тех опытах, где ооциты подвергали дейтеризации 10— 15 мин., а затем давлению в течение 2—10 мин. (до появления полярных телец в контролях), была выявлена более высокая спо­ собность образовывать и сохранять эти тельца у дейтеризованных клеток, помещенных под оптимальное давление. Число таких кле­ ток в 10—15 раз превышало число клеток, остававшихся при атмосферном давлении.

не испытавших компрессии, этот процесс требовал 25—35 мин. Давление способствовало также исчезновению в дейтеризованных ооцитах зародышевых пузырьков, которые длительное время со­ хранялись в клетках, остававшихся после пребывания в тяжелой воде при атмосферном давлении. Авторы считают, что по сравне­ нию с митозом мейоз менее чувствителен к ингибирующему дей­ ствию тяжелой воды.

179

Колхицин

Marsland (1966) продемонстрировал синергический эффект давления и колхицина на митоз. Данный алкалоид размягчает •структуру веретена в митозе, иногда до полного разжижения и исчезновения двойного лучепреломления. При концентрации кол­ хицина 4 -ІО-5 и ниже, хотя и наблюдалась двухминутная за­ держка в появлении борозды деления в обсемененных яйцах Lytechinus variegatus, однако процесс деления протекал нор­ мально. С увеличением концентрации колхицина его ингиби­ рующее действие быстро нарастало, и при 11• ІО-5 прекращалось деление у 100% яиц.

В равной степени давление ниже 2800 ф/д.2 не оказывало влияния на деление яиц, а при 3600 ф/д2 ни одно яйцо не проявляло признаков деления.

Комбинация этих факторов привела к полному блокированию деления в условиях давления 2300 ф/д2 и концентрации кол­ хицина 4 -ІО-5. С повышением давления до 2500 ф/д2 тот же эффект наблюдался уже при концентрации алкалоида 3-10_5М, а под давлением 2800 ф/д2 достаточно было 2-10_5М. Если со­ вместное действие давления и колхицина не было продолжитель­ ным, то через 22 часа после снятия давления и перенесения яиц в свежую морскую воду наблюдался большой процент мор­ фологически нормальных бластул. Автор заключает, что, посколь­ ку колхицин и давление имеют тенденцию повреждать структуру митотического веретена, не удивительно, что их ингибирующее действие является синергическим.

Marsland (1968) описал синергизм в антимптотическом дей­ ствии колхицина, повышенного давления и низкой температуры на яйца Lytechinus variegatus; критерием этого действия было торможение первого деления у 50% яиц, участвовавших в опыте. Уровень давления, необходимого для антимитотического эффекта,

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ДАВЛЕНИЯ НА КЛЕТОЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ

Brown (1934с) исследовал влияние высокого давления на вяз­ кость протоплазмы в яйцах Arbacia punctulata. Используя для этой цели центрифугу с камерой, где создавалось гидростатиче­ ское давление, ои вычислял коэффициент вязкости, т. е. отноше­ ние величины вязкости под высоким давлением к вязкости при одной атмосфере; индексом вязкости служило время седимента­ ции хроматофор.

Опыты показали, что с повышением давления в ряду от 1 до 680 атм вязкость заметно снижалась, причем интенсивность

180

понижения вязкости была больше при низких величинах давле­ ния, чем при высоких.

Данные по изменению вязкости протоплазмы в яйцах Alba­ nia punctulata с повышением гидростатического давления пред­ ставлены нише (Brown, 1934с).

В оплодотворенных яйцах хроматофоры локализуются в сфор­ мировавшейся кортикальной зоне, что позволило определить из­ менение вязкости этой зоны под давлением 408 атм. В первые 4 —7 мин. после оплодотворения вязкость кортикальной зоны воз­ растала незначительно, а затем, к 10—12-й минуте быстро повы­ шалась. В следующий период — до 25—28-й минуты она постепен­ но уменьшалась — до первоначальной величины, однако на этом уровне, который сохранялся до 30—33-й минуты, вязкость была выше в 6—7 раз, чем в неоплодотворенных яйцах. За ним сле­ довал столь высокий подъем кривой вязкости, что гранулы пиг­ мента казались лишенными подвижности. При сравнении кривых пзменеиий вязкости кортикального и внутреннего слоев оплодо­ творенного яйца под высоким давлением наблюдались некоторые ■отличия, которые автор объясняет различиями в конституции этих областей.

Последующие исследования были выполнены с амебами, Amoe­ ba dubia и Amoeba proteus (Brown, Marsland, 1936). Рис. 92 по­ казывает, что оба вида амеб, так же как яйца Arbacia punctu­ lata, проявляют сходство в отношении изменений вязкости под давлением — уменьшение ее по мере повышения давления. По мнению авторов, то обстоятельство, что сходство наблюдалось у ■столь различных организмов, свидетельствует об общности для всех клеток этих физико-химических' изменений в протоплазме в условиях высокого давления. Превращение плазмогеля в золь они ■считают наиболее вероятной причиной уменьшения вязкости про­ топлазмы под давлением.

Marsland (1938) сопоставил своп данные о степени задержки в развитии борозды деления под давлением в несколько сот ат­ мосфер с данными Brown (1934с) об изменениях, которые вы­ зывают эти величины давления в консистенции кортикального слоя яиц Arbacia punctulata. На рис. 93 видно, „цто скорость интрузии борозды и вязкость кортикального слоя уменьшаются параллельно по всему ряду величия давления до 350 атм, кото­ рые применяли в проведенных экспериментах. По мнению автора,

181

Рис. 93. Влияние давления на вязкость кортикального слоя и скорость инт' рузии борозды деления в яйцах Arbacia punctulata (Marsland, 1938)

1 — вязкость; 2 — скорость интрузии борозды деления

эти результаты поддерживают точку зрения, что зольч^гель — реакции, происходящие в кортикальном слое протоплазмы в об­ ласти возникновения борозды деления, играют существенную роль

вмеханизме клеточного деления.

Вболее подробных исследованиях Marsland (1939а) было уста­ новлено, что во время деления яиц Arbacia pustulosa поверх­ ностный слой протоплазмы, особенно в области зарождающейся борозды деления, становился плотным и проявлял свойства ри­ гидного геля. Этот гель с повышением давления до 600 атм под­ вергался прогрессивно увеличивающемуся разжижению. Каждая степень разжижения сопровождалась соответственной задержкой появления борозды деления или даже обратным развитием в слу­ чае ее возникновения. После снятия давления восстанавливалась консистенция плазмогеля, и процесс деления начинался или про­ должал прогрессировать. Полученные результаты позволили авто­

ру утверждать, что процесс приращения слоя плазмогеля за счет плазмозоля в области стенок борозды деления может быть от­ ветственным за ее образование и развитие.

Дальнейшее изучение механизма клеточного деления привело Marsland (1950) к выяснению характера изменений вязкости при одновременном действии температуры и давления. При атмо­ сферном давлении плотность геля в кортикальном слое прото­ плазмы возрастала прямо пропорционально повышению темпера­ туры, тогда как плотность его при данной температуре была об­ ратно пропорциональнавеличине давления: она уменьшалась с увеличением давления.

182

Опыты показали также, что имеется минимальная плотность теля, которая позволяет свершиться делению клетки, она состав­ ляет около 20 % величины, свойственной гелю при 25° и атмо­ сферном давлении. Этот критический минимум для плотности кортикального геля остается приблизительно постоянным в ши­ роком ряду вариаций температуры и давления. Любая комбина­ ция более низкой температуры и более высокого давления, ко­ торая достигает критической степени разжижения кортикального ■слоя, ведет адекватно к блокированию процесса развития борозды деления. Автор приходит к заключению, что энергия, необходимая для деления клетки, предварительно накапливается при эндотер­ мическом процессе образования геля кортикального слоя.

Источником энергии для этого эндотермического процесса мо­ жет служить высокий потенциал фосфатных связей аденозиитрифосфата, как это выяснилось в экспериментах Landau, Marsland a. Zimmerman (1954) и Marsland, Landau a. Zimmerman (1953). Добавление адеиозинтрифосфата в среду с оплодотворенными яй­ цами Arbacia и Cliaetopterus способствовало увеличению плотно­ сти их кортикального геля на 15—20 % по сравнению с яйцами, развившимися в среде без адеиозинтрифосфата. Как в опытных, так и в контрольных сериях плотность геля увеличивалась экспо­ ненциально с поднятием температуры в ряду 10, 15, 20, 25 и

Т а б л и ц а 69. Зависимость чувствительности АтоеЪа protcus к ингибирующему действию гидростатического давления от наличия ядра (Hirshfield et al., 1958а)

183

щепление фосфатных связей АТФ. Они закономерно ослабляли плотность геля кортикального слоя протоплазмы, примерно на 20% (Zimmerman et al., 1957).

Вопрос о том, как влияет наличие ядра в клетке на процесс разжижения протоплазмы под гидростатическим давлением свыше

ствия давления на Amoeba proteus, в результате перехода геля протоплазмы в золь, было принято прекращение движения амебы,, исчезновение псевдоподий и ее округление. Амебу разрезали на две примерно равные половины — одну, содержащую ядро, и дру­ гую — безъядерную, и эти половины, а также интактные клетки помещали под давление 2000—6000 ф/д2 при температурах 15, 20, 25°.

Из табл. 69 видно, что безъядерные амебы проявляли более высокую чувствительность к одновременному действию давления и температуры, чем амебы с ядром, как в половниках, так и в целых клетках. Требовалось более высокое давление, примерна на 1500 ф/д2 при всех указанных температурах, чтобы вызвать потерю движения и округление клеток у амеб, содержащих ядро. Авторы полагают, что наличие ядра способствует образованию более прочной структуры плазмогеля, лучше противостоящей раз­ жижающему действию давления.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В КЛЕТКАХ ЖИВОТНЫХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Движение протоплазмы

Влияние гидростатического давления па движение протоплаз­ мы в клетках Amoeba dubia и Amoeba proteus было изучено Mar­ sland a. Brown (1936). Опыты ставили при комнатной темпе­ ратуре. Первый эффект давления — прекращение движения — наблюдался, когда оно достигло 250 атм. С увеличением давлениядо 400 атм длинные псевдоподии внезапно сокращались и обра­ зовывались терминальные сферы. Эта быстрая реорганизация сопровождалась более постепенным изменением всей формы аме­ бы, примерно через 5 мин. она становилась округлой. Когда дав­ ление снималось, движение восстанавливалось через секунду при продолжительности давления не более 10 мин.

Примечательно, что с повышением давления до 400 атм про­ цесс образования конечных сфер и прекращения движения про­ должался в течение 5 сек., тогда как мгновенная декомпрессия приводила к почти немедленному возобновлению движения. По мнению авторов, такая степень реверсибельиости указывает, что давление скорее действует на физические свойства протоплазмы, чем на химические.

•184

Ответная реакция амебы Chaos carolinensis на давление 6000 ф/д2 (Landau, 1965b) выразилась в немедленной остановке движения протоплазмы в псевдоподиях, за которой последовал очень быстрый, но короткий обратный ток, вовлекший главным образом осевой слой эндоплазмы. В первые несколько минут после снятия давления появились признаки образования псевдоподий палочковидной формы, через 10 мин. начали возникать истинные псевдоподии, и к 20-й минуте восстановился нормальный облик организма.

Применение давления 1000 ф/д1 первоначально приводило к прекращению тока в псевдоподиях, затем начиналось энергичное ■спазматическое движение в одном направлении с образованием луковицеобразных утолщений на их концах. После этого поток прекращался на 20—30 сек., и вновь появлялся новый псевдо­ подий на месте луковицеобразного окончания. Конечным резуль­ татом было псевдоподиальное вытягивание, напоминающее цепоч­ ки луковицеобразных протуберанцев.

Т а б л и ц а 70. Влияние температуры на величину критического давления, выше которого псевдоподии Amoeba proteus не образуются или не сохраняются (Landau, Zimmerman, Marslanö, 1954)

Совместное действие давления и температуры на движение Amoeba proteus было прослежено Landau, Zimmerman а. Mars­ land (1954). Первоначально определялось влияние давления при температуре 25°. Давление 1000—1500 ф/д2 вызывало уменьше­ ние числа псевдоподий, у большинства из них слой плазмогеля отсутствовал. С увеличением давления до 2000—3000 ф/д2 псев­ доподии утончались и становились короче, а при 3000—4000 ф/д2 они исчезали.

Понижение температуры до 20, 15 и 10° приводило к умень­ шению величины минимального давления, которое требовалось для исчезновения псевдоподий и округления амеб (табл. 70).

Опыты на центрифуге показали, что равновесие золь ^ гель смещается в сторону золя с понижением температуры и увеличе­ нием давления. Каждое изменение температуры на 5° в ряду температур 10—25° действовало так же, как изменение давления на 1000 ф/д2.

185