Электрические поля и регенерация

Восстановление утраченных конечностей и органов у человека, давнишняя мечта медиков и биологов. Природа как бы подсказывает нам, как это сделать, и для примера заготовила нам некоторых беспозвоночных и позвоночных животных, которые обладают удивительной способностью к регенерации органов и тканей. Остается только подсмотреть, как это они делают, и понять механизм формообразования вновь отрастающих органов. И тут исследователи поняли, что не все так просто, и что они столкнулись с одной из загадок жизни, которая не поддается быстрому решению.

Однако есть одно действие в этой задаче, которое уже становится понятным для ученых – это повышение потенциалов электрических полей и смена их полярности при процессах роста и регенерации. Может быть, это и есть «нить Ариадны», которая нас выведет из лабиринта знаний о таинственной регенерации.

***

Есть мнение среди ученых, что морфогенетическое поле, отвечающее за пространственное распределение клеток и форму организма, образуется вокруг развивающихся структур из известных нам физических полей. Но такое поле будет обладать уже другими свойствами, так как наложение различных структурированных полей малой интенсивности друг на друга будет проявлять себя в пространстве уже не как сумма ряда полей, а как информационное морфогенетическое поле. Аналогию можно провести со сплавом металлов, часто сплав обладает совсем другими свойствами, чем составляющие его отдельные металлы.

Сколько бы мы ни рассуждали о морфогенетических полях, их природа для нас остается пока загадочной. Но один компонент этих полей явно действует на процессы формообразования и роста у живых организмов. Таким компонентом является 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 и выяснил, что наиболее эффективное действие оказывают друг на друга заряженные объекты. Поэтому уже сто с лишним лет тому назад исследователи начали проверять действие электрического поля на растения и животных, особенно во время роста и развития исследуемых объектов. Несовершенное оборудование и противоречивые результаты не позволили сделать объективных выводов. Но техника эксперимента оттачивалась, и уже в 1922 году 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.

Существует животное, похожее на веточку растения. Это морские полипы – обелия. Действительно, если отрезать кусочек от живой обелии  (рис. 1), и поместить в электрическое поле, – куда он будет расти: верхним концом к положительному или отрицательному полюсу? Лунд так и сделал. Он вырезал кусочек гидроида и поместил его на 15 часов в электрическое поле с плотностью тока 0,02 миллиампера на мм². 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 Лунда были повторены другими учеными, такими как С. Роуз, С. Смит, только на других беспозвоночных животных, способных к регенерации. Роуз работал на другом гидроиде – тубулярии (рис.2), 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 (рис. 3). Планариям отрезали голову и хвостовой отдел. Независимо от ориентации головной конец возникал всегда у катода. 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 (дедифференцировку). 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. Такие вещи у земноводных возможны. Ведь у них сохраняется ядро в эритроцитах в отличие от млекопитающих. 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?

В настоящее время медики начинают использовать для регенерации стволовые клетки. Работы в этой области сулят нам радужные перспективы. Но сколько еще предстоит изучить, прежде чем использовать стволовые клетки в широких масштабах на практике. Вполне может оказаться, что, при стимуляции электрическими полями с характеристиками близкими к тем, которые возникающим у тритонов или саламандр при регенерации конечности, могут быстрее заполнить дефект и восстановить поврежденный орган.

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 20 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 не отличимая от нормальной. Правда, другие ткани не восстановились полностью и дали что-то похожее на одну из стадий регенерации конечности у саламандр. 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 организационном центре организма, следящем за развитием или регенерацией отдельных частей организма. Но электрическое поле самого организма имеет сложную пространственную структуру, напоминающую кружево, которое в настоящее время человек еще не может создать. И это не удивительно – ведь собственное электрическое поле организма формируется путем суммарного 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 мы видим 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 Роуз, электрическое поле живых организмов своей пространственной конфигурацией влияет на транспорт специфических репрессоров, ведающих дифференцировкой (специализацией) клеток. Это создает картину химической цитодифференцировки, в какой-то мере отражающей пространственный рисунок самого электрического поля. Чтобы подтвердить эту гипотезу, были поставлены оригинальные опыты все с тем же гидроидом табулярией. Если отрезки табулярии соединить последовательно, то верхний отращивает щупальца, у него образуется рот; а рост нижнего подавляется, он становится как 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. Роуз объясняет это тем, что при последовательном соединении гидроиды образуют одно общее электрическое поле, когда же их головные концы направлены друг к другу, их поля не объединяются. Видимо, что-то похожее происходит и другими живыми структурами, когда при контакте совпадают их электрические поля или отталкиваются.

Конечно, гипотеза 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, мы можем придти 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, химических 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 формообразовательных процессов окончательно не познаны, их контуры только вырисовываются в представленных здесь гипотезах. Время важнейших открытий в биологии еще впереди!

Рис. 1. Гидроид Обелия, на котором работал Лунд. А — колония (слегка увеличено), Б — отдельная веточка колонии (несколько схематизировано, часть особей колонии изображена в разрезе):
1 — гидрант в расправленной состоянии, 2 — сократившийся гидрант, 3 — оболочка, 4 — почка, 5 — развивающиеся медузы, 6 — оболочка вокруг гидроида, 7 — оболочка, закрывающая созревающие половые клетки

Рис. 2 — Отдельный гидрант гидроида Тубулярия, способный к регенерации любимый объект Роуза:
/ — рот, 2 — венчики щупалец, 3 — выросты с клетками для размножения

Спинная поверхность                                     Брюшная поверхность

                                                                                                                                                                                  Глотка

Рис. 3. Тигровая планария (винтообразно изогнута, чтобы показать брюшною поверхность), на которой ставится большинство опытов по регенерации головы и  всего тела из отдельных фрагментов.

 Юрий СИМАКОВ,
доктор биологических наук, профессор,
член Московского общества испытателей природы

Сведения об авторе

Симаков Юрий Георгиевич, профессор, доктор биологических наук.
Каф. Биоэкологии и ихтиологии, Московский государственный университет технологий и управления.
Автор 150 научно-популярных статей и ряда научно-популярных книг (Жизнь пруда, Живые приборы, Животные анализируют мир. Читать по глазам людей и животных, Удивительный мир животных)