FIG.38—First division complete and first polar cell formed, pc'.
FIG.39.—Formation of the second polar cell, pc".
FIG.40.—Completion of the process of extrusion of the chromatic material; fn shows the two chromosomes retained in the egg forming the female pronucleus. The centrosome has disappeared.
До этого процесса другая половая клетка, сперматозоид, или мужская репродуктивная клетка, претерпевала несколько похожий процесс. Это также настоящая клетка (рис. 34, mc), хотя она решительно меньшего размера, чем яйцеклетка, и очень другой формы. Она содержит клеточное вещество, ядро с хромосомами и центросому, причем количество хромосом, как показано позже, составляет, однако, только половину от нормального для обычных клеток животных. Изучение развития сперматозоида показывает, что он произошел из клеток, которые содержали нормальное число четыре, но что это число было сокращено до половины процессом, который эквивалентен тому, который мы только что заметили в яйцеклетке. Таким образом получается, что каждый из половых элементов, яйцеклетка и сперматозоид, теперь содержит половину нормального количества хромосом.
Теперь с помощью некоторых механических средств эти две репродуктивные клетки приводятся в контакт друг с другом, показанный на рис. 34, и как только они оказываются вблизи друг друга, мужская клетка погружает свою головку в тело яйцеклетки. Хвост, с помощью которого она двигалась, отбрасывается, и головка, содержащая хромосомы и центросому, входит в яйцеклетку, образуя то, что называется мужским пронуклеусом (рис. 35-38, mn). Это проникновение мужской клетки происходит либо до формирования полярных телец яйцеклетки, либо после. Если, однако, это происходит до, мужской пронуклеус просто остается в состоянии покоя в яйцеклетке, пока полярные тельца выталкиваются, и только после того, как этот процесс завершен, он снова начинает проявлять признаки активности, которые приводят к объединению клеток.
Дальнейшие шаги в этом процессе, по-видимому, контролируются центросомой, хотя не совсем точно известно, откуда эта центросома происходит. Первоначально, как мы видели, яйцеклетка содержала центросому, и мужская клетка также привнесла вторую в яйцеклетку (рис. 35, ce). В некоторых случаях, и это верно для червя, которого мы описываем, несомненно, что центросома яйцеклетки исчезает, в то время как центросома сперматозоида сохраняется одна, чтобы направлять дальнейшую деятельность (рис. 41). Возможно, это может быть так во всех яйцеклетках, но это не точно. Это вопрос некоторого интереса — иметь это установленным, ибо если бы это оказалось правдой, то очевидно следовало бы, что механизм для деления клетки в случае полового размножения происходит от отца, хотя основная масса клетки происходит от матери, в то время как хромосомы происходят от обоих родителей.
FIG. 41.—The chromosomes in the male and female pronucleii have resolved into a network. The male centrosome begins to show signs of activity.
FIG. 42.—The centrosome has divided, and the two pronucleii have been brought together. The network in each nucleus has again resolved itself into two chromosomes which are now brought together near the centre of the egg but do not fuse; mcr, represents the chromosomes from the male nucleus; fcr, the chromosomes from the female nucleus.
В тех случаях, когда процесс был изучен наиболее тщательно, дальнейшие изменения заключаются в следующем: головка сперматозоида после проникновения в яйцеклетку остается в состоянии покоя, пока яйцеклетка не отбросила свои полярные тельца и, таким образом, не избавилась от части своих хромосом. Рядом с ней лежат ее центросомы (рис. 35, ce), и таким образом образуется то, что известно как мужской пронуклеус (рис. 35-40, mn). Остатки ядра яйцеклетки после того, как они выбросили полярные тельца, образуют женское ядро (рис. 40, fn). Хроматиновый материал как в мужском, так и в женском пронуклеусе вскоре распадается на сеть, в которой уже невозможно увидеть, что каждый содержит две хромосомы (рис. 41). Теперь центросома, которая находится рядом с мужским пронуклеусом, проявляет признаки активности. Она становится окруженной заметными лучами, образуя астр (рис. 41, ce), а затем начинает двигаться к женскому пронуклеусу, по-видимому, увлекая за собой мужской пронуклеус. Таким образом центросома приближается к женскому пронуклеусу, и, таким образом, наконец, два ядра приводятся в тесную близость. Тем временем хроматиновый материал в каждом из них снова распался на короткие нити или хромосомы, и мы снова обнаруживаем, что каждое из ядер содержит два из этих телец (рис. 42). На последующих рисунках хромосомы мужского ядра слегка заштрихованы, в то время как хромосомы женского — черные, чтобы их можно было различить. Когда эти два ядра наконец соединяются, их мембраны исчезают, и хроматиновый материал начинает свободно лежать в яйцеклетке, мужские и женские хромосомы бок о бок, но отчетливо, образуя сегментационное ядро. Яйцеклетка теперь, очевидно, снова содержит количество хромосом, нормальное для клеток животного, но половина из них была получена от каждого родителя. Очень показательно обнаружить далее, что хромосомы в этой оплодотворенной яйцеклетке не сливаются друг с другом, а остаются совершенно отчетливыми, так что можно видеть, что новое ядро содержит хромосомы, полученные от каждого родителя (рис. 42). Также не представляется, в будущей истории этой яйцеклетки, никакого фактического слияния хроматинового материала, мужские и женские хромосомы, возможно, всегда остаются отчетливыми.
FIG. 43.—An equatorial plate is formed and each chromosome has split into two halves by longitudinal division.
FIG. 44.—The halves of the chromosomes have separated to form two nucleii, each with male and female chromosomes. The egg has divided into two cells.
В то время как происходило это смешение хромосом, центросома разделилась на две части, каждая из которых становится окруженной астром и перемещается к противоположным концам ядра (рис. 42). Теперь следует деление ядра, точно похожее на то, которое происходит при нормальном делении клетки, уже описанном на рис. 28-34. Каждая из хромосом расщепляется вдоль (рис. 43), и одна половина каждой затем перемещается к каждой центросоме, чтобы сформировать новое ядро (рис. 44). Поскольку каждая из четырех хромосом таким образом расщепляется, следует, что каждое из двух дочерних ядер будет, конечно, содержать четыре хромосомы; две из которых были получены от мужского и две от женского родителя. С этого момента деления яйцеклетки следуют быстро путем нормального процесса деления клетки, пока из этой одной яйцеклетки в конечном итоге не образуются сотни тысяч клеток, которые постепенно формируются во взрослую особь. Все эти клетки будут, конечно, содержать четыре хромосомы; и, что более важно, половина хромосом будет получена непосредственно от мужского, а половина — от женского родителя. Даже во взрослой жизни, следовательно, клетки животного, вероятно, содержат хроматин, полученный путем прямого происхождения от каждого из его родителей.
Значение оплодотворения. — Из этого процесса оплодотворения можно сделать ряд выводов, весьма важных для нашей цели. Во-первых, очевидно, что хромосомы составляют ту часть клетки, которая содержит наследственные признаки, передаваемые от родителя к ребенку. Это следует из того факта, что хромосомы являются единственной частью клетки, которая в оплодотворенной яйцеклетке получена от обоих родителей. Теперь потомство, безусловно, может наследовать от каждого родителя, и, следовательно, наследственные признаки должны быть связаны с какой-то частью клетки, которая получена от обоих. Но вещество яйцеклетки получено только от матери; центросома, по крайней мере в некоторых случаях, а возможно и во всех, получена только от отца, в то время как хромосомы получены от обоих родителей. Следовательно, из этого следует, что наследственные признаки должны быть особенно связаны с хромосомами.
С этим пониманием мы можем, по крайней мере частично, понять цель оплодотворения. Как мы увидим позже, очень необходимо при построении живой машины, чтобы каждая особь наследовала признаки от более чем одной особи. Это необходимо для создания многочисленных вариаций, которые способствуют конструкции машины. Для этой цели был развит процесс полового объединения репродуктивных клеток, который вводит в потомство хроматиновый материал от двух родителей. Но если бы две репродуктивные клетки объединились сразу, количество хромосом удваивалось бы в каждом поколении и, следовательно, постоянно увеличивалось бы. Чтобы предотвратить это, полярные тельца выбрасываются, что уменьшает количество хроматинового материала. Объединение двух пронуклеусов, очевидно, предназначено для создания ядра, которое должно содержать хромосомы, а следовательно, и наследственные признаки от каждого родителя, а последующее расщепление этих хромосом и разделение двух половин на дочерние ядра гарантирует, что все ядра, а следовательно, и все клетки взрослой особи, будут обладать наследственными признаками, полученными от обоих родителей. Таким образом получается, что даже у взрослой особи каждая клетка тела состоит из хромосом от каждого родителя и может, следовательно, наследовать признаки от каждого.
Клетка животного, таким образом, состоит из трех несколько различных, но активных частей — клеточного вещества, хромосом и центросомы. Из них клеточное вещество, по-видимому, передается от матери; центросома происходит, по крайней мере в некоторых случаях, от отца, а хромосомы — от обоих родителей. Однако еще не точно известно, является ли центросома постоянной частью клетки. В некоторых клетках ее еще не удается найти, и есть некоторые основания полагать, что она может быть сформирована из других частей клетки. Ядро всегда является прямым потомком ядра уже существующих клеток, так что существует абсолютная непрерывность происхождения между ядрами клеток особи и ядрами ее предков на протяжении бесчисленных поколений. Не точно, что существует такая непрерывность происхождения в случае центросом; ибо, хотя в процессе оплодотворения центросома передается от родителя к ребенку, есть некоторые основания полагать, что она может исчезать в последующих клетках, а позже вновь развиваться из других частей. Единственная часть клетки, в которой продемонстрирована полная непрерывность от родителя к ребенку, — это ядро и, в частности, хромосомы. Все эти факты просто подчеркивают важность хромосом и говорят нам, что эти тельца должны рассматриваться как содержащие самые важные особенности клетки, которые составляют ее индивидуальность.
Что такое протоплазма? — Теперь уже достаточно сказано о раскрытиях современного микроскопа, чтобы показать, что наш старый друг Протоплазма принял совершенно новый облик, если только он не исчез вовсе. Эти простейшие жизненные процессы настолько удивительны и включают действие такой сложной массы механизмов, что мы больше не можем сохранять наше прежнее представление о протоплазме как о физической основе жизни. Не может быть жизни без свойств ассимиляции, роста и размножения; и, насколько нам известно, эти свойства встречаются только в той комбинации тел, которую мы называем клеткой, с ее смесью гармонично действующих частей. Жизнь, по крайней мере жизнь клетки, — это, следовательно, не свойство химического соединения протоплазмы, а результат деятельности машины. Действительно, мы теперь в затруднении, зная, как мы можем сохранить термин протоплазма. Как он первоначально использовался, он означал содержимое клетки, и значение термина заключалось в концепции протоплазмы как несколько однородного химического соединения, единообразного во всех типах жизни. Но теперь мы видим, что эта клетка содержит не одно вещество, а большое количество, включая твердые тела, желеобразные массы и жидкости, каждое из которых имеет свой собственный химический состав. Количество химических соединений, существующих в материале, ранее называемом протоплазмой, никто не знает, но мы знаем, что их много и что различные вещества объединены для формирования физической структуры. Какое из этих различных тел мы продолжим называть протоплазмой? Будет ли это линин, или жидкости, или микросомы, или хроматиновые нити, или центросомы? Какое из них является фактической физической основой жизни? Из описания клеточной жизни, которое мы дали, будет очевидно, что ни одно из них не является материалом, на котором наши химики-биологи могут дольше основывать химическую теорию жизни. Эта химическая теория жизни, как мы видели, была основана на концепции, что примитивное жизненное вещество является определенным химическим соединением. Никакого такого соединения не было обнаружено, и эти раскрытия микроскопа последних нескольких лет были таковы, что заставили нас оставить надежду когда-либо обнаружить такое соединение. По-видимому, невозможно свести жизнь к какой-либо более простой основе, чем эта комбинация тел, которые составляют то, что ранее называлось протоплазмой. Термин протоплазма все еще используется с разными значениями, как они используются разными авторами. Иногда он используется для обозначения всего содержимого клетки; иногда только клеточного вещества вне ядра. Очевидно, это не та протоплазма прежних лет.
С этим выводом один из наших фундаментальных вопросов был решен. Мы обнаружили в нашей первой главе, что общая деятельность животных и растений легко сводится к действию машины, при условии, что мы обладаем фундаментальными жизненными силами, находящимися в частях этой машины. Мы тогда спросили, были ли эти фундаментальные свойства сами по себе свойствами химического соединения или они должны быть сведены к действию еще меньших машин. Первый ответ, который биологи дали на этот вопрос, заключался в том, что ассимиляция, рост и размножение были простыми свойствами сложного химического соединения. Этот ответ был, безусловно, неверным. Жизненная деятельность не проявляется ни одним химическим соединением, но, насколько нам известно, только машиной, называемой клеткой. Таким образом, мы снова сведены к проблеме понимания действия машины. Возможно, будет хорошо остановиться здесь на мгновение, чтобы заметить, что эта позиция очень сильно увеличивает трудности на пути к решению жизненной проблемы. Если бы физическая основа жизни оказалась химическим соединением, проблема ее происхождения была бы химической. Химические силы существуют в природе, и этих сил достаточно, чтобы объяснить формирование любого вида химического соединения. Проблема происхождения жизненного вещества тогда состояла бы просто в том, чтобы объяснить определенные условия, которые привели к такому химическому соединению, которое дало бы начало этой физической основе жизни. Но теперь, когда простейшее вещество, проявляющее явления жизни, оказывается машиной, мы больше не можем найти в химических силах эффективные причины для ее формирования. Химические силы и химическое сродство могут объяснить химические соединения любой степени сложности, но они не могут объяснить формирование машин. Машины являются результатом сил совершенно иной природы. Человек может производить машины, беря химические соединения и помещая их вместе в такие отношения, что их взаимодействие даст определенные результаты. Кусочки железа и стали, например, собираются вместе, чтобы сформировать локомотив, но действие локомотива зависит не от химических сил, которые создали сталь, а от отношения кусочков стали друг к другу в машине. Насколько у нас был какой-либо опыт, машины строились под руководством интеллекта, который адаптирует части друг к другу. Когда, следовательно, мы обнаруживаем, что простейшее жизненное вещество — это машина, мы вынуждены спросить, какие силы существуют в природе, которые могут подобным образом строить машины путем регулировки частей друг к другу. Но эта тема относится ко второй части нашего предмета и должна быть на настоящее время отложена.
Реакция против клеточной теории. — По мере того как знания о клетках, которые мы обрисовали, медленно приобретались, концепция клетки претерпевала различные модификации. Сначала клеточная стенка рассматривалась как фундаментальная часть, но эта идея вскоре уступила место убеждению, что именно протоплазма является живой. Под влиянием этой мысли клеточная теория развилась во что-то вроде следующего: клетка — это просто кусочек протоплазмы и является единицей живой материи. Тела всех более крупных животных и растений состоят из огромного количества этих единиц, действующих вместе, и деятельность всего организма — это просто сумма деятельности его клеток. Организм, таким образом, просто сумма клеток, которые его составляют, а его деятельность — сумма деятельности отдельных клеток. По мере того как раскрывалось больше фактов, идея слегка изменилась. Важность ядра стала все более и более сильно впечатлять микроскопистов, и это тельце приобрело через некоторое время такую известность, что скрыло из виду более знакомую протоплазму. Удивительная деятельность ядра вскоре заставила рассматривать его как важную часть клетки, в то время как все остальное было вторичным. Клетка теперь рассматривалась как кусочек ядерного вещества, окруженный вторичными частями. Удивительная деятельность ядра и, прежде всего, тот факт, что только ядро передается от одного поколения к следующему при размножении, — все это свидетельствовало о его огромной важности и о вторичной важности остальной части клетки.
Это была самая крайняя позиция клеточной теории. Клетка была единицей живого действия, а высшее животное или растение — просто колонией таких единиц. Животное было просто объединением для взаимной выгоды независимых единиц, точно так же, как город — это объединение независимых индивидуумов. Организация животных была просто результатом комбинации многих независимых единиц. Не было никакой деятельности организма как целого, а только его независимых частей. Клеточная жизнь была выше организованной жизни. Точно так же, как в городе городское правительство — это название, данное комбинированному действию индивидуумов, так и действия организмов — просто комбинированное действие их отдельных клеток.
Против такой крайней позиции в последние годы возникла решительная реакция, и сегодня становится все более очевидным, что такую позицию невозможно поддерживать. Во-первых, становится очевидным, что клеточное вещество не должно быть полностью стерто важностью ядра. Что ядро является важнейшим жизненным центром, достаточно ясно, но столь же ясно, что ядро и клеточное вещество должны быть вместе, чтобы составлять жизненное вещество. Сложная структура клеточного вещества, решительная активность, проявляемая его волокнами в процессе деления клетки, достаточно ясно указывают на то, что это часть клетки, которой нельзя пренебрегать при изучении жизненного вещества. Опять же, открытие центросомы как отдельного морфологического элемента еще больше добавило сложности жизненному веществу и доказало, что ни ядро, ни клеточное вещество не могут рассматриваться как клетка или как составляющие жизнь. Правда, мы, возможно, еще не знаем источника этой центросомы. Мы не знаем, передается ли она из поколения в поколение, как ядро, или она может быть создана заново из клеточного вещества в жизни обычной клетки. Но это не существенно для ее признания как органа важности в деятельности клетки. Таким образом, клетка доказывает, что она не является кусочком ядерного вещества, окруженным вторичными частями, а сообществом нескольких, возможно, одинаково важных взаимосвязанных членов.