URSS.ru Магазин научной книги
Обложка Белоусов Л.В. Биологический морфогенез Обложка Белоусов Л.В. Биологический морфогенез
Id: 298310
959 р.

Биологический морфогенез Изд. 2, доп.

URSS. 2023. 256 с. ISBN 978-5-9710-4914-2.
Белая офсетная бумага
Общие принципы самоорганизации морфогенеза - Структурно-динамические основы морфогенеза - Модели биологических морфогенезов - Динамическая структура последовательных этапов морфогенеза - Ростовые морфогенезы и морфологическая целостность взрослого организма - Морфогенез и эволюция.

Аннотация

Настоящая книга посвящена рассмотрению биологического морфогенеза, то есть процесса возникновения и усложнения форм и структур в ходе развития организма, с позиций теории самоорганизации (синергетики). Излагаются элементарные математические основы синергетики, данные по молекулярным и субклеточным основам морфогенеза; обсуждаются движущие силы эмбрионального морфогенеза, постэмбриональные морфогенетические процессы и эволюционные проблемы,... (Подробнее)


Оглавление
top
От редакцииiv
Предисловие ко второму изданию (Ермаков А. С.)vi
Загадка развития эмбриона (Володяев И. В.) ix
Предисловие к первому изданию3
Глава 1. Общие принципы самоорганизации морфогенеза6
Глава 2. Структурно-динамические основы морфогенеза51
Глава 3. Модели биологических морфогенезов90
Глава 4. Динамическая структура последовательных этапов морфогенеза109
Глава 5. Ростовые морфогенезы и морфологическая целостность взрослого организма186
Глава 6. Морфогенез и эволюция205
Заключение222

Contents
top
Preface to the first edition3
Chapter 1. General principles of self-organization in morphogenesis6
Chapter 2. Structural and dynamical basis of morphogenesis51
Chapter 3. Models of biological morphogeneses90
Chapter 4. Dynamical structure of successive steps of morphogenesis109
Chapter 5. Growth-mediated morphogeneses and the morphological integrity in adult organisms186
Chapter 6. Morphogenesis and evolution205
Epilogue222

Предисловие ко второму изданию
top
Биология достигла грандиозных успехов в расшифровке молекулярных механизмов функционирования живых систем. Особенно впечатляют достижения последних десятилетий, связанные с пониманием передачи и реализации генетической информации. Наряду с углублением аналитических исследований, однако, все больше просматривается интерес к изучению интегральности и организованности живого. В биологии развития, и особенно в изучении биологического формообразования (морфогенеза), эти явления прослеживаются наиболее отчетливо.

Мы наблюдаем новый виток интереса к механизмам интегральности живого, и не только среди биологов. Обусловлено это как появлением новых экспериментальных методов и подходов, так и все более возрастающей ролью нейронных сетей и искусственного интеллекта, регенеративной медицины и тканевой инженерии, биоинформатики (то есть тех областей научной и философской мысли и технологий, в которых в той или иной степени учитывается интегральность живого) в повседневной жизни современных людей.

Весьма актуальным становится обращение к работам классиков науки, изучавших проблему целостности и организованности живых систем.

Данное предисловие написано для переиздания двух книг доктора биологических наук, профессора Льва Владимировича Белоусова (1935–2017) — «Проблема эмбрионального формообразования» (1972 г.) и «Биологический морфогенез» (1987 г.). Изучению загадки целостности живого Лев Владимирович посвятил всю свою жизнь, занявшись этой проблемой еще в юности, в начале 1950-х, под влиянием своего деда и учителя Александра Гавриловича Гурвича и проработав в ней до последнего дня (11 сентября 2017). Жизнь Льва Владимировича была связана с биологическим факультетом Московского государственного университета имени М. М. Ломоносова, долгие годы он читал курс лекций по общей эмбриологии для студентов этого факультета и, кроме того, вел несколько спецкурсов на кафедре эмбриологии, в их числе — «Морфогенез».

«Проблема эмбрионального формообразования» — научная монография (1971 г., Издательство МГУ). Монография состоит из трех частей: «Формообразующие клеточные процессы», «Формообразующие факторы» и «Проблема наследования формы». Автор формулирует проблему биологического формообразования и намечает пути возможных подходов к изучению этой проблемы.

В первой части рассматривается роль клеточных делений, движений клеток и изменения их формы, а также клеточной гибели в формообразовательных процессах в живых организмах.

Во второй части подробно освещаются факторы, влияющие на морфогенез, дается обзор концепций, связанных с биологическим формообразованием.

Третья часть книги посвящена роли генетических факторов в процессе образования видоспецифической формы. Экспериментальные данные и теоретические соображения, на которых основана монография, обсуждались в различных научных аудиториях, а поднимаемые в книге проблемы не потеряли актуальности и сейчас, в XXI веке.

Книга «Биологический морфогенез» (1987 г., Издательство МГУ) тоже является научной монографией и посвящена также проблеме биологического морфогенеза. Книга состоит из шести глав: «Общие принципы самоорганизации морфогенеза», «Структурно-динамические основы морфогенеза», «Модели биологических морфогенезов», «Динамическая структура последовательных этапов морфогенеза», «Ростовые морфогенезы и морфологическая целостность взрослого организма», «Морфогенез и эволюция» — и заключения. Монография изобилует богатым фактическим материалом, помимо этого, в ней на серьезном уровне и при этом доходчиво рассматриваются аспекты синергетики, топологии и теории симметрии, имеющие отношение к биологическому морфогенезу и организации живых систем.

Глава 1 «Общие принципы самоорганизации морфогенеза» посвящена физико-математическим аспектам теории самоорганизации, которые автор освещает популярно, доступным для массового читателя языком.

Глава 2 «Структурно-динамические основы морфогенеза» повествует об организации клеточного скелета и цитоскелетно-мембранных преобразованиях, на основе которых возникают стойкие изменения, главным образом, клеточных поверхностей, а также о механизмах интеграции таких преобразований в пределах клеточных коллективов.

В главе 3 «Модели биологических морфогенезов» рассматриваются подходы к интегральности организации живых систем и моделирование возможных механизмов такой интегральности, в том числе модели морфогенеза с учетом механических напряжений.

Глава 4 «Динамическая структура последовательных этапов морфогенеза» занимает центральное положение в монографии. В ней общие подходы, модели и механизмы, рассмотренные в предыдущих главах, применяются к конкретным морфогенетическим процессам и процессам клеточных и тканевых дифференцировок. В частности, подробно рассматриваются морфогенетические события, происходящие в раннем развитии позвоночных.

Глава 5 «Ростовые морфогенезы и морфологическая целостность взрослого организма» рассматривает проблему роста и морфологической целостности в постэмбриональном периоде. В этот период прекращаются активные перемещения клеточных масс, происходит сужение клеточных потенций, однако продолжаются изменения формы и поддержание морфологической целостности организма, что роднит этот период с периодом эмбриогенеза.

Наконец, в главе 6 «Морфогенез и эволюция» проблема морфогенеза рассматривается более широко, с учетом двух важных аспектов.

Во-первых, морфогенез является исторически обусловленным, кроме того, теория морфогенеза должна отвечать на вопрос о том, как изучаемый морфопроцесс может эволюционировать. Эти вопросы и обсуждаются в заключающей главе.

Книга посвящена выдающимся советским биологам-теоретикам — Александру Гавриловичу Гурвичу, Павлу Григорьевичу Светлову и Владимиру Николаевичу Беклемишеву — и, по признанию самого автора, в значительной степени является развитием их идей.

Переиздание этих двух замечательных монографий, уже ставших классическими, несомненно, можно только приветствовать.

Издание будет полезно как профессиональным биологам и студентам биологических специальностей, так и всем интересующимся проблемами целостности биологического формообразования и поддержания морфологической организации живых организмов.

Ермаков Александр Сергеевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры эмбриологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова


Предисловие к первому изданию
top
Интерес к биологическому морфогенезу, т. е. к проблеме возникновения новых форм и структур в индивидуальном (и, через его посредство, в историческом) развитии организмов, в последние годы заметно возрос. Нередко приходится слышать, что теперь, после общеизвестных успехов молекулярной биологии, проблемы морфогенеза и тесно связанной с ним цитодифференцировки должны быть выдвинуты на первый план. От прогресса в понимании морфогенеза ждут не только чисто познавательных, но и практических результатов для медицины, биотехнологии и бионики. Однако современный интерес к морфогенезу не ограничивается пределами биологии. Его можно рассматривать как составную часть характерной тенденции всего современного естествознания — стремления понять функционирование таких сложных и целостных систем, для которых неэффективны традиционные методы анализа и редукции и которые несводимы к простой сумме своих элементов. Эта тенденция, часто обозначаемая как системный подход, диктуется не только теоретическими, но и чисто прикладными (в первую очередь экологическими) задачами, стоящими перед человечеством.

Морфогенез, несомненно, является выражено системной проблемой, причем такой, к которой принципы системного подхода могут быть приложены с большой ясностью и конкретностью, по-лезной и для их собственного развития. Но этим не ограничиваются связи морфогенеза с небиологическими науками. Первостепенное значение для прогресса биологического морфогенеза имеет происшедшее в последние годы оформление физико-математической теории самоорганизации неравновесных природных систем, биологических и небиологических. Возникшая в результате новая синтетическая отрасль знания, часто называемая синергетикой, и связанные с ней математические подходы должны, по-видимому, рассматриваться как наиболее общая теоретическая основа также и для биологического морфогенеза.

Другое важное для морфогенеза научное событие произошло в последние годы уже в пределах самой биологии: путем кропотливых исследований на стыке молекулярного и клеточного уровней удалось приблизиться к пониманию тех структурных превращений, которые преобразуют химическую энергию клеток в механическую и могут поэтому рассматриваться как элементарные движущие силы морфогенеза. Занимающееся этими вопросами научное направление называют часто «биологией клетки», или «биологией клеточной подвижности».

Возникновение этих двух научных направлений создало совершенно новую ситуацию, многообещающую для развития как учения о биологическом морфогенезе, так и биологии в целом. Чтобы гармонически реализовать все возможности, заложенные в этой ситуации, кажется особенно важным уже сегодня, в самом начале движения по новому пути, найти способы содержательного объединения обоих названных направлений как между собой, так и с данными классической биологии.

Предлагаемая книга и посвящена прежде всего обсуждению того, как осуществить в области морфогенеза этот «великий синтез» теории самоорганизации с клеточной и классической биологией. Этой задаче подчинено не только содержание, но и структура книги. В ее 1-й главе излагаются сведения из современной физико-математической теории самоорганизации (синергетики). Главное, чем руководствовался автор при написании этой главы,— стремление сделать ее понятной и интересной для биологов разного профиля и степени математической подготовки. Поэтому автор стремился обрисовать биологический смысл и сферу применения каждого математического примера, а также «переложить» на язык синергетики такие привычные для биологов понятия, как компетенция, индукция, дифференцировка и другие. В этой же главе обосновывается центральная идея всей книги: необходимость уровневого описания и анализа морфогенеза, т. е. разложения его на небольшое число дискретных динамических уровней (уровней переменных морфогенеза) и исследования их взаимоотношений. Этот методологический принцип, проводимый на протяжении всей монографии, естественно вытекает как из синергетики, так и, в более широком аспекте, из системного подхода.

Математические знания, необходимые для усвоения данной главы и всей книги в целом, лишь незначительно выходят за пределы программы средней школы и, во, всяком случае, не превышают объема курса математики, для студентов-биологов университетов. Вместе с тем эта глава не может, конечно, рассматриваться как строгое и исчерпывающее изложение основ синергетики. Такую задачу успешно выполняет ряд вышедших в последние годы специальных монографий [1—4].

Более конкретные математические модели морфогенеза рассматриваются отдельно (в 3-й главе), поскольку им необходимо было предпослать обзор сведений об элементарных внутриклеточных процессах и межклеточных взаимодействиях, генерирующих механические силы морфогенеза. Составление этого обзора было, пожалуй, наиболее трудной задачей — столь обширна данная область знания и столь быстро она обновляется. Понимая, что данный обзор вполне может устареть еще до выхода книги в свет, автор тем не менее не видел возможности обойтись без него в книге о морфогенезе.

При переходе к собственно морфогенетическим главам перед автором стояла дилемма: либо дать по возможности равномерный обзор самых различных концепций морфогенеза и тех биологических объектов, на примере которых закономерности морфогенеза исследуются, либо сосредоточиться на немногих подходах и объектах, попытавшись объединить их в нечто целое. Отчасти ввиду ограниченного объема книги избран второй путь. По этой же причине в книге почти нет сведений о таких интересных морфогенезах, как морфогенезы сифоновых водорослей или слизистых грибов; весьма фрагментарны и приводимые в книге сведения по морфогенезам высших растений. Из числа теоретических концепций морфогенеза почти не рассматриваются модели клеточной сортировки и совсем не обсуждаются дискретные (автоматные) модели. О последних можно получить представление, в частности, по книге «Математическая биология развития» [см. 154].

Отказавшись, таким образом, от экстенсивного обзора, автор попытался взамен дать по возможности связную и последовательную картину морфогенеза некоторых объектов (преимущественно зародышей амфибий и вегетативного поколения гидроидных полипов) как многоуровневого динамического процесса. Возможности многоуровневого анализа морфогенеза других групп организмов и связанная с этим проблема эволюции морфогенеза обсуждаются в 6-й главе. Наконец, заключение можно рассматривать как запоздалую попытку автора оправдаться перед добросовестным читателем за то время, которое он потратил на чтение этой книги: здесь объясняется, чем, по мнению автора, все перед этим сказанное могло бы пригодиться биологу-исследователю.

Заканчивая эту книгу, я вспоминаю замечательных ученых недавнего времени, которых имел счастье знать: моего учителя Александра Гавриловича Гурвича, Павла Григорьевича Светлова и Владимира Николаевича Беклемишева. Все они считали морфогенез центральной проблемой биологии. Я рассматриваю свою работу как дальнейшее развитие их идей и хотел бы посвятить эту книгу их памяти.

Автор выражает глубокую признательность за прочтение книги и критику отдельных ее глав В. Н. Мещерякову, Д. С. Чернавскому и В. А. Голиченкову. Эта книга не могла бы быть также написана без подробных и плодотворных обсуждений различных проблем морфогенеза с Ю. А. Лабасом, Б. Н. Белинцевым и другими коллегами, которым я также выражаю искреннюю признательность. Автор благодарен также всем сотрудникам кафедры эмбриологии МГУ за постоянный интерес к его работе и прекрасную творческую атмосферу.

1987 г.


Об авторе
top
photoБелоусов Лев Владимирович
Доктор биологических наук, профессор кафедры эмбриологии биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Внук и ученик выдающегося эмбриолога А. Г. Гурвича. Окончил биолого-почвенный факультет МГУ и аспирантуру при кафедре эмбриологии. В 1961 г. защитил диссертацию по теме «Клеточные процессы при морфогенезе гидроидных полипов». С 1978 г. профессор кафедры эмбриологии, c 2000 г. заслуженный профессор МГУ. Член редколлегии журнала «Онтогенез», член Международного института биофизики (ФРГ). Удостоен премии имени К. Бонди (Университет Перуджи, Италия, 1989) за работы по механике развития и премии имени А. О. Ковалевского (2009) за цикл работ «Молекулярные и клеточные механизмы морфогенетических процессов у животных». Основное направление научной деятельности: исследования морфогенеза беспозвоночных и позвоночных животных. Сформулировал «динамический закон морфогенеза», который вкратце заключался в том, что «любая часть зародыша (ткань, или отдельные клетки) отвечает на изменение механического напряжения, вызванного какой-либо внешней силой, активной реакцией, направленной на восстановление исходной величины напряжения, но действующей с „перехлёстом“: так, в ответ на растяжение ткань или клетка отвечает генерацией внутреннего давления, и т. п.». Автор и соавтор более 10 книг, в том числе учебников по морфогенезу и эмбриологии.