"Природа", №10-12, 1925 год, стр. 37-50

О постоянстве числа клеток в организмах.

П. П. Калашников.

Впервые проблема постоянства числа клеток в организмах была выдвинута ученым Мартини в 1909 г., который даже пытался разделить всех животных на постоянно- и непостоянно-клеточных. Под "постоянством числа клеток" он подразумевал тот факт, что у многих видов животных некоторые клетки у каждой особи занимают одно и то же положение, стоят всегда в одинаковых отношениях к окружающим элементам и по своему происхождению сходны между собой. Из этого само собою, как следствие, вытекает, что число таких постоянных клеток у разных особей одного и того же вида должно быть одинаково.

Со времени опубликования работы Мартини накопилось значительное число наблюдений, относящихся к этой проблеме в пределах различных групп животных и, отчасти, растительных организмов, которые довольно хорошо согласуются между собой и вызывают ряд обще-теоретических соображений.

Краткий общедоступный обзор фактов подобного рода и представляет настоящая статья.

Хорошо известно, что, по мере размножения и специализации клеток в теле многоклеточных животных, способность к делению у них постепенно уменьшается и, наконец, совершенно исчезает. У мелких и прозрачных организмов (у коловраток, тардиград и др.) уже давно было замечено, что в некоторых органах число и расположение составляющих их клеток остается постоянным. Этот факт приобрел особенный интерес в связи с проблемой анатомического предопределения клеток, образующихся при дроблении яйца (Determinationsproblem). Некоторые ученые пытались путем разрушения отдельных клеток дробления или тщательно наблюдая развитие каждой из них, проследить судьбу составляющих зародыш клеток. Но это удавалось, пока зародыш состоял из небольшого числа клеток и возникали главные зачатки органов. Но, чем быстрее идет деление клеток и чем мельче они становятся, тем легче исчезают они из поля наблюдения. У большинства животных такое умножение клеток наступает уже на сравнительно ранних стадиях зародышевого развития и отдельные органы их уже состоят из очень большого числа клеток. Лишь у очень немногих животных число клеток остается незначительным, и благодаря этому можно легко наблюдать их расположение, как в законченном организме, так и в личинках. Недавно у большого числа таких животных количество и расположение клеток, образующих их органы, было установлено с достаточной точностью. Это касается главным образом некоторых круглых червей, скребней, коловраток, кольчатых червей, тихоходок, улиток, асцидий, низших позвоночных и др. Так, например, у тихоходок правильность расположения клеток различных органов, установленная ранее многими авторами, недавно была подтверждена исследованиями Баумана (1920). Для пояснения этого остановимся в виде примера на особенно хорошо изученном органе, именно на глоточном отделе одной тихоходки — Macrobiotus Hufelandi. Последний в общих чертах состоит из плотных мышц, которые, начинаясь от покрывающей головной конец перепонки, подходят к хитиновому покрову трех-угольной полости глотки. Эти мышцы и немногочисленные клетки стенок глотки расположены таким образом, что в начале и в конце глоточного отдела помещаются по 3 мелких, образующих глоточную стенку, клетки, а между ними тянутся мышечные клетки, которые расположены в четыре этажа, по 6 клеток в каждом. Таким образом находим:

Подобная правильность наблюдается, повидимому, и в других отделах тела, т. к. наружный покров состоит из 4 лент по 19 клеток в каждой. Каждый мускул состоит из единственной клетки, и мышцы располагаются очень правильно и симметрично; из этого вытекает также постоянство покровных и мускульных клеток. В нервном ганглии также находится небольшое и, повидимому, определенное количество клеток. То же самое можно сказать и относительно желудка. По описанию Бассе, железы, впадающие на границе между желудком и задней кишкой, состоят всего из 3 правильно лежащих клеток.

Очень подробно эти отношения исследовал тот же Мартини (1912) у коловраток, главным образом у прозрачной Hydatina senta (Рис. 1). Интересно, что этот организм был исследован в большом числе особей и, не считая незначительных колебаний, не только число клеток в соответствующих органах, но и — что особенно замечательно — их расположение относительно друг друга оказалось довольно постоянным. Так для мускулатуры Hidatina было найдено следующее число клеток (соответственно ядер):

В нервной системе у той же коловратки Мартини насчитал:

Для всего же животного общее число клеток оказалось 959.

Рис. 1. Коловратка Hydatina senta. Видны крупные клетки кишечного аппарата.

Повидимому, у других коловраток также существует постоянство числа клеток, а также и у многих других животных, стоящих в системе довольно далеко друг от друга. Ван-Клэв (1914) изучил в этом отношении одного скребня из рода Eorhynchus и также нашел в отдельных органах определенное и небольшое число клеток. Замечательно, что у исследованных этим ученым пяти видов Eorhynchus — число клеток хотя и было абсолютно одинаковым, однако, совпадение было довольно полное не только у разных особей одного и того же вида, но и у особей, принадлежащих различным видам.

Совсем другую форму, относящуюся к небольшой группе Temnocephala, родственной плоским червям, недавно изучил Мэртон (1914). Здесь число клеток оказалось точно фиксированным, как это было найдено раньше для коловраток, круглых червей и др.

Названные формы обнаруживают относительно их клеточного состава те же явления, как и эмбрионы, и интересно было бы провести сравнение между теми и другими. Наиболее благоприятным объектом для этого являются круглые черви, у которых поколения клеток тщательно исследованы различными учеными (Циглер, Бовери, Шпеман и др.). Так, Мартини для рода Cucullanus проследил судьбу клеток дробления яйца до количества 194, а для внутреннего и среднего зародышевого пластов даже до стадии 354 клетки. Конечно, у взрослых круглых червей условия менее благоприятны, однако, для отдельных органов (органы чувств, нервная и мускульная системы) удалось найти постоянное число клеток, тогда как относительно других органов (половой аппарат, наружный покров, средняя кишка) вследствие многочисленности клеток вопрос неясен. У Cucullanus молодые особи (и взрослые зародыши, которые уже сходны с готовым червем) имеют очень мало клеток и установить количество их и свести к зародышевым клеткам очень легко. На поздних стадиях зародыш имеет 5 рядов клеток, идущих от ротового до заднепроходного отверстия (2 брюшных ряда, 2 боковых и один спинной) и состоящих соответственно из 11, 12 и (спинной) из 24 клеток. Потомков этих клеток Мартини наблюдал у молодых червей, уже сходных со взрослыми животными.

Число клеток удалось выяснить даже у животных с очень многоклеточными органами. Так, Гольдшмидт (1908, 1909 и 1910) у крупных аскарид (Ascaris lumbriocoides и A. megalocephala) изучал отдельно нервную систему и установил постоянство нервных клеток и отходящих от них волокон, а также постоянство формы и связи нервных элементов. Уже гораздо раньше Апати (1897) указал на то же самое для нервной системы пьявок. По его данным число клеток в брюшном ганглии пьявки никогда не бывает менее 350 и более 400, безразлично, каких размеров данная особь. Подобно пьявкам то же имеет место и у многих других кольчатых червей. Но постоянное число нервных элементов замечено и относительно других животных. У брюхоногих моллюсков, например, у виноградной улитки (Helix pomatia), клетки ганглиев мелки и многочисленны, но зато кроме них существуют и крупные (гигантские) клетки, которые в отдельных ганглиях очень сходны по величине, форме, положению и отходящим от них отросткам. По словам Кунце (1917, 1919) в головном ганглии виноградной улитки с каждой стороны лежат по 2 гигантских клетки (верхние и нижние). Подобно этому и в ножных ганглиях помещается одна гигантская клетка. Боковые, также как и внутренностные, нервные узлы содержат более крупные клетки, точно определенные по положению и форме. Точно также и более мелкие нервные клетки обнаруживают правильность относительно формы, места и отходящих отростков (например, в головном узле. Хотя в данном случае еще нельзя говорить о безусловном постоянстве числа клеток в виду отсутствия точных исследований, однако, все вышесказанное заставляет с вероятностью ожидать, что в этом случае будет обнаружена та же закономерность.

В 1913 г. В. Догель, наблюдая развитие зародышей морских паучков (Пантопод) и применяя прижизненную окраску, также обнаружил необыкновенное постоянство клеток в некоторых органах.

Очень интересны данные относительно оболочников (Tunicata), как представителей более высокого типа (хордовых) животных. Тот же Мартини (1909) очень убедительно доказал постоянство числа клеток у одной аппендикулярии (Fritillaria) не только в нервной системе, но и в хорде, мышцах, сердце, органах чувств и кишечнике. Естественно ожидать того же и у ланцетника. И действительно, его гигантские нервные клетки, лежащие правильно вдоль нервной трубки, находятся там в совершенно определенном числе, а именно в количестве 26. Более мелкие нервные клетки у ланцетника также постоянны и правильно расположены. У ланцетника, как и у кольчатых червей, при дроблении доказано предопределение клеток.

Позвоночные животные также не представляют исключения из общего правила, по крайней мере, относительно частей нервной системы. У круглоротых, акуловых и костистых рыб в центральном канале продолговатого мозга и в разных частях спинного мозга залегают так называемые "дорзальные клетки", которые отличаются от остальных нервных элементов числом и величиной. Уже в 1886 г. Г. Фрич у рыбы Lophius piscatorius в спинной части продолговатого мозга насчитал около 200 гигантских клеток. Позднее ряд авторов дал подобные указания и относительно других рыб (Третьяков, Дальгрен, Тальяни и др). По наблюдениям Тальяни у одной камбалы (Solea impar) в спинном мозге в промежутке между I и X—XI спинномозговыми нервами залегает около 80 гигантских клеток. В первых двух спинномозговых сегментах гигантские клетки многочисленны и расположены довольно густо — их здесь 12—22, в IV сегменте — 8, в V — 5, в VI — 11, в VIII — 9, в X и XI по 2. У Ctenolabrus coeruleus Сармент нашел в передней трети спинного мозга 35—40 клеток, из которых передние крупнее и лежат более тесно. Расположены они очень правильно: 4 больших передних клетки лежат симметрично по паре с каждой стороны, а за ними тянется ряд остальных (рис. 2). Все они дают отростки, идущие к тройничному нерву. Приведенные примеры хорошо иллюстрируют правильность, с которой расположены нервные клетки у низ. позвоночных. Личинки амфибий и рептилий обнаруживают расположение дорзальных клеток, сходное с только что описанным у рыб, но с ростом зародыша увеличение их числа и уменьшение размеров не позволяет пока наблюдать эту закономерность у взрослых особей. Несмотря на это, Голь (1889) и его ученики пытались подсчитать число клеток в спинном мозгу лягушки и убедились, какова трудность, такого предприятия. Тем не менее, Голь пришел к убеждению, что относительное количество клеток организма подчинено закону, по которому каждый элемент одного вида соответствует определенному числу элементов другого вида. Такие отношения между составными частями организмов очень распространены и встречаются так часто, что кажутся само собой разумеющимися, и мы на многое даже не обращаем внимания в виду его обычности.

Рис. 2. Ctenolabrus coeruleus. Схематический продольный разрез продолговатого и передней части спинного мозга.

Если число волокон в основной перепонке улитки слухового органа млекопитающих и птиц постоянно (у попугаев, например, 1200), то необходимо допустить такую же правильность и для очень равномерно расположенных клеток чувствительного эпителия. Повторяем, что с увеличением числа клеток точные наблюдения становятся труднее. Известно, что в сетчатке глаза человека светочувствительные элементы (палочки и колбочки) лежат очень правильно, при чем первых значительно больше, чем вторых, и, очевидно, закон постоянства имеет место и здесь, т. к. в равных промежутках между 2 колбочками находятся 3—4 палочки. Подсчеты показали, что в человеческом глазу на 1 кв. миллим, приходится 250.000 палочек, у спрута 100.000, у каракатицы всего 40.000.

Очень благоприятный объект для подобных исследований представляют те членистоногие, у которых глаза состоят из отдельных глазков (зрительных пирамидок), а последние заключают в себе строго определенное число клеток, например, 4 хрусталиковых клетки и 7 зрительных. Число отдельных глазков у многих насекомых высчитано весьма точно. Так:

У некоторых насекомых со слабой способностью к полету число элементов значительно меньше, что, конечно, облегчает подсчет. Рабль (1898—1900) открыл, что в хрусталике высших позвоночных радиальные пластинки располагаются также с большой правильностью, после чего он свои выводы распространил и на другие органы и ткани, как: кости, хрящ, кишечник и даже соединительную ткань.

Итак, мы видим, что закон постоянства числа клеток обнимает как отдельные органы, так и целые организмы, как низшие, так и высшие формы. Если в известном органе или участке тела число клеток строго фиксировано, то известные клетки более уже не делятся, и становятся, по крайней мере в известных условиях, неспособными к делению. А мы знаем, что размножение клеток обыкновенно связано с ростом организма. О. Вейсс (1921) исследовал развитие мускулатуры у молодых рыб, карпов, которое очень изменчиво в зависимости от расы и внешних условий. При этом оказалось, что главная причина скорости роста состоит в способности мускульных клеток увеличивать свой объем и вследствие увеличения в длину и ширину вызывать индивидуальный рост тела. Таким образом, скорость роста, по Вейссу, зависит не от ритма клеточных делений, а от увеличения размеров каждого мускульного волокна. Отсюда возникает вопрос об отношении между величиной тела и составляющих его клеток. Вейсс и другие ученые занимались этой проблемой. Например, Уоррен (Warren 1909) убедился, что у водяной блохи (Daphnia magna) величина клеток тела всецело зависит от общих размеров всего организма.

Самое понятие о "неизменности размеров клеток" впервые было введено в обращение ботаниками (Страсбургер 1897, Сакс 1893) и точнее обосновано работами Амелунга (1893). Многие зоологи, как: Дриш, Майнот, Бовери, Конклин, Морган допускают неизменность величины клеток и для животных.

Мысль, что более крупные животные (кит) построены и из более крупных клеток, а мелкие (воробей) из более мелких, едва ли серьезна. Мы знаем, что близко родственные животные, но имеющие довольно различные размеры, сложены из клеток приблизительно равной величины, и, наоборот, у животных одинаковых размеров, но далеких по происхождению, клетки бывают различны. Известен факт, что хвостатые амфибии (саламандра) состоят из особенно крупных клеток, тогда как у бесхвостых (лягушка, жаба) приблизительно тех же размеров клетки очень малы. Радль задался вопросом, каковы размеры клеток у различной величины особей одного и того же вида. Исследуя печень, почки и другие органы собак очень различных размеров, он нашел, что величина клеток у крупных и мелких собак одна и та же, т. е. что число клеток у первых больше, чем у последних. Следовательно, здесь рост обусловлен не ростом клеток, а их размножением. Этот факт стоит в противоречии с выводами Вейсса. Бовери исследовал эпителиальные клетки языка великана Федота Махнова и имеющего всего 87 см. роста карлика Сман-Синч-Хио, и в обоих случаях величина клеток оказалась равной таковой нормального человека; вследствие этого Бовери присоединяется к взгляду Рабля. Также Конклин (1912) у моллюска Crepidula нашел одинаковую величину клеток у всех особей, хотя объемы особей вида Crepidula formica в 125 раз превосходят объем особи вида Cr. convex.

Итак, мы видим, что исследования одних ученых (Вейсс) противоречат другим (Бовери, Рабль). Это противоречие несколько устраняется данными, полученными другими исследователями. Так. Г. Гертвиг (1913), изучая карликовое развитие зародыша жабы, Р. Чамберс (1912) рачка-циклопа, установили незначительную величину клеток. С другой стороны, гигантский рост некоторых растений (Oenothera, Primula Solanum) стоит в связи с необыкновенно большими размерами клеток. Некоторые новейшие авторы сводят гигантский и карликовый рост даже к большему и меньшему числу хромозом (Тишлер 1919). Многие авторы указывают, что абсолютная величина клеток часто может зависеть от различных внутренних и внешних условий. Для пояснения этого укажем, что Иллинг (1901) и Баум нашли, что печеночные клетки у взрослой лошади крупнее, чем у молодой. Также Гейбер (1908) сообщает, что в печени и в поджелудочной железе белой мыши ядро и плазма увеличиваются с ростом животного; кровяные клетки с возрастом также изменяются в объеме. Изменения величины клеток определенного вида, как следствие голода, температуры, кастрации и др. наблюдали многие ученые (Чамберс, Моргулис, Гартманн и др.).

В общем можно считать установленным фактом, что есть организмы, которые, несмотря на мелкие размеры, состоят из крупных элементов и наоборот. Это вполне согласуется с явлением постоянства числа клеток. У них, следовательно, рост связан с изменением размеров клеток. С другой стороны, есть животные, у которых происходит частое замещение клеточного материала. Организм первых, таким образом, в течение всей жизни обходится при помощи деятельности одних и тех же клеток, которые не обновляются и не замещаются другими. Вследствие этого у них более рано изнашиваются ткани и органы и происходит распад тела, в то время как у тех, где все время происходит размножение клеток, возможно обновление организма новыми, более молодыми элементами. Как уже сказано в начале, способность к делению у клеток с течением времени ослабевает и, наконец, исчезает совершенно. Конечно, определить точно количество и расположение клеток при настоящем состоянии знаний едва-ли возможно. Еще не настало время классифицировать организмы по этому признаку. Но очевидно, что у многих форм с неясным отношением числа клеток к величине животного в некоторых, наиболее специализированных органах число клеток фиксировано, в связи с чем способность этих органов к росту и регенерации ослаблена или потеряна совершенно. Здесь прежде всего нужно упомянуть нервную систему как высших, так и низших животных. Строение нервной системы низших организмов из сравнительно небольшого числа клеточных элементов обусловливает простоту ее организации. Число клеток во всей нервной системе улитки меньше, чем на одном срезе спинного мозга позвоночного.

У позвоночных, особенно высших, способность к размножению клеток центральной нервной системы очень слаба и почти равна нулю. Огромное число клеток мозга человека и млекопитающего определяется довольно рано перед рождением, так что позднее рост мозга обусловлен главным образом только увеличением объема клеток. В мозгу человека новообразование нервных клеток заканчивается очень рано и некоторые авторы допускают и здесь постоянное число таковых (Дональдсон). Немецкий патолог Рибберт считает, что у новорожденного младенца столько же ганглиенозных клеток, как и у 90—100 л. старика. Если это так, то не вредно ли это для организма в целом? Можно думать, что те органы, которые снабжены определенным числом клеток, не способных замещаться новыми, вследствие непрерывного функционирования должны подлежать более скорому изнашиванию. Тем не менее такие органы работают непрерывно в течение очень долгих лет, а у некоторых форм и нескольких сотен лет, не подвергаясь значительным нарушениям. Некоторые авторы в этом случае допускают известное число как бы резервных клеток, которые заменяют время от времени ослабевшие, но связь нервных клеток с волокнами говорит против этого допущения, а скорее за действительную неутомимость и долголетие нервных элементов.

У животных с точно нормированными и правильно расположенными нервными элементами в течение жизни, по мере изнашивания тех или других клеток нервной системы, должно наступать последовательное выпадение функций, которым соответствовали погибшие нервные клетки. Но, как мы видели выше, есть организмы, у которых нормированы не только нервные клетки, но также и клетки других органов. У таких форм, по мере старения и изнашивания отдельных клеток (будь это нервные, железистые, мышечные и т. д.), точно также можно было бы заметить угасание деятельности той или другой группы клеточных элементов и различные структурные изменения в них. К сожалению, такого рода исследований почти не производилось.

Большая продолжительность жизни тканевых клеток известна также и у растений; например, паренхиматозные крахмоло-проводящие клетки древесины не изменяются в течение 30—40 лет, находясь среди омертвелых частей дерева. Они могут жить даже 70—80 лет, без роста и деления (Е. Кюстер, 1921). Это — те же отношения, которые мы видели для нервных клеток высших позвоночных, среди которых есть формы, живущие до 300 лет, как, например, гигантские черепахи. Долгая сопротивляемость высоко-специализированных клеток, в связи с ранней потерей способности к делению, есть явление, которое имеет место как у низших животных, так и в отдельных случаях у высших организмов, как, например, в железистой и в мышечной ткани, а также в сердечной мускулатуре, но при массивности и большой многоклеточности этих органов его труднее заметить и с точностью установить.
 

Подводя итоги всему вышесказанному, несмотря на отрывочность и противоречивость данных, в грубых чертах можно наметить некоторые общие закономерности, конечно, имеющие пока лишь временное значение:

1. Отношение между объемом тела животного и величиной составляющих его клеток, понимаемое так, что более крупные животные состоят из более крупных клеток и наоборот, не оправдывается фактическими данными.

2. Повидимому, в пределах известных границ величина клеток бывает для каждого вида постоянна. Тем не менее различные внешние условия (температура, питание) способны вызывать некоторые колебания в абсолютной величине клеток.

3. Из этого правила представляют исключение некоторые "долголетние" клетки, прежде всего нервные, клетки органов чувств, волокна хрусталика и т. п.

Ядро и плазма клеток увеличиваются в объеме по мере роста всего организма. Поэтому, при сравнении величины клеток, всегда нужно учитывать возраст данного организма.