Иммунитет в процессе эволюции

Исходя из тех представлений, что величина мутационного риска прямо пропорциональна количеству делящихся клеток, следует допустить, что параллельно процессу развития многоклеточности шло формирование механизмов, сдерживающих мутационный поток. В данном случае необходимо обратить внимание не на внешние биоценотические факторы, а на внутренние, свойственные самому многоклеточному организму. Без успешного формирования этих механизмов эволюция “застряла” бы на том уровне, при котором количество соматических клеток у какого-либо животного ничтожно мало, а период воспроизведения короток. В этом смысле критическая точка — 106 клеток — гипнотизирует. Она выглядит некоторым пределом в эволюции многоклеточных по линии увеличения количества активно делящихся клеточных форм.

Суммируя представленный в данной главе материал, можно попытаться привести в соответствие факты по эволюционному возникновению различных способов иммунного реагирования с уровнем организации в мире животных (рис. 20.14). Всего включено пять проявлений иммунитета: фагоцитоз, аллогенная ингиби- ция, специфическая клеточная форма защиты, реактивность ан- тигенраспознающих рецепторов и продукция иммуноглобулинов.

Способность одноклеточных организмов к фагоцитозу является тем свойством, которое обеспечивает их питание. Фагоцитоз как реакция амебоцитов-макрофагов на чужеродный материал сохранился у всех многоклеточных животных.

Данные по неиммунному распознаванию чужеродносги у большинства изученных представителей наиболее просто организованных многоклеточных — губок и кишечнополостных (табл. 20.6), а также демонстрация явления аллогенного подавления у млекопитающих (гл. 11) позволяют думать, что подобная форма реактивности есть общее свойство всех многоклеточных.

Факты зарождения клеточных форм специфического реагирования у простейших многоклеточных и усиление специфического клеточного иммунитета , обусловленного активностью лимфоцитов, у первично- и вторичноротых животных определяют рамки, в которых данная форма иммунитета имеет место. Если верхний предел специфического клеточного реагирования ясен (это уровень млекопитающих), то нижний (губки, кишечнополостные) выглядит достаточно расплывчатым. Лишь некоторые представи

ло


Рис 20.!4- Соотношение между различными факторами иммунитета и уровнями организации и мире животных

тели этих таксонов способны к специфическому реагированию с формированием кратковременной иммунологической памяти. Подобные отношения следует отнести к явлению преадаптации элементов клеточной формы реагирования. На рисунке квазииммун- ная форма реагирования отмечена пунктирной линией.

Специфичность клеточной иммунной реакции подразумевает наличие на поверхности эффекторных клеток молекулярных структур, способных к распознаванию чужеродного антигенного материала. Несмотря на то что наличие антигенраспознающих рецепторов у беспозвоночных выявлено только у иглокожих и оболочников, следует предполагать присутствие этих рецепторов также у более низкоорганизованных беспозвоночных, способных к специфическому клеточному реагированию. Широкое распространение оцнодоменных белков суперсемейства иммуноглобулинов (Thy-1, р2-микроглобулина, Р0 — гл. 5) от одноклеточных до высших позвоночных животных вселяет уверенность в том, что какие- то иммуноглобулинподобные, антигенраспознающие структуры будут найдены у низкоорганизованных многоклеточных, способных к специфическому реагированию.

И, наконец, показано, что синтез иммуноглобулинов — компонентов специфического гуморального реагирования — есть привилегия позвоночных животных.

Анализ схемы, представленной на рис. 20.13, ясно указывает на необходимость совершенствования иммунных механизмов кон-

441

троля за процессом эволюционного развития многоклеточных животных.

Конечно, тезис о том, что прогресс по линии увеличения количества соматических клеток обеспечивался системой иммунологического контроля за мутационным потоком, бьы бы более убедительным, если бы удалось провести строгую коррелятивную связь между эволюционно возникающими формами иммунитета и все увеличивающимися размерами носителей этого иммунитета, как это сделано для развивающегося зародыша человека (гл. 19). Отсутствие сведений об истинном количестве воспроизводящихся клеток у представителей разных таксонов, недостаток знаний о состоянии иммунной реактивности у наиболее просто организованных животных не позволяют установить абсолютной связи. И тем не менее, можно попытаться провести подобную оценку в гипотетической форме, опираясь на возможные в прошлом пути развития многоклеточности. На рис. 20.15 в условном графическом виде представлены варианты эволюционных изменений количества возобновляющихся клеток у представителей тех или иных таксономических групп животных. Относительная клеточная величина отображена размером круга (чем больше предполагаемое количество воспроизводящихся клеток, тем больше диаметр круга и наоборот). Условно нарастание многоклеточности обозначено последовательными цифрами I — 9. Следует еще раз подчеркнуть, что данная схема полностью умозрительна и указывает лишь на возможные тенденции в эволюционном развитии многоклеточности.

В глубоком геологическом прошлом (очевидно, в архее) эволюция по линии увеличения количества соматических клеток, вероятно, завершилась бы на стадии С4 и не имела бы успеха в дальнейшем увеличении клеточности по причине отсутствия специфического контроля за мутационным потоком. Вместе с тем, при том же уровне многоклеточности форма D4, обладающая определенным видом специфического иммунологического контроля, “обречена”на эволюционный успех. Дальнейшее историческое развитие могло привести как к увеличению абсолютного количества пролиферирующих клеток (линия D-H), так и к различного рода колебаниям по многоклеточности (D-Dn, Е-Еп и т.д,). Это может быть связано с различными условиями существования вида и действием факторов отбора, отличных от иммунных. В результате на уровне современных форм (Dn-Hn) диапазон колебаний многоклеточности велик, а представители с незначительным количеством клеток, но прошедшие предковый путь становления иммунитета, соседствуют с формами, имеющими большее количество соматических клеток, но не обладающими специфическим иммунитетом. Так, наиболее мелкие виды высокоорганизованных клаЬ- 442


сов птиц и млекопитающих, имеющих полностью сформированные механизмы иммунной защиты, уступают по размерам некоторым видам кишечнополостных, либо не обладающим специфической защитой, либо с очень слабой защитой. Иными словами, выдвигая тезис о контролирующей роли исторически развивающихся механизмов специфического иммунитета, следует относить эту роль к начальным этапам становления многоклеточное™, к тому исходному периоду, когда определялся сам путь эволюционного развития многоклеточное™.

Каково количество соматических клеток, начиная с которого оно не могло бы увеличиваться без параллельного становления специфических форм иммунологической защиты? Исходя из принципов биогенетического закона Геккеля, следует думать, что такое количество незначительно. Уже на самых ранних этапах зародышевого развития позвоночных животных регистрируются признаки Т- и В-систем иммунитета (гл. 19). Возможно, эта величина составляла lxlO6 воспроизводящихся клеток — тог предел, с которого мутационный риск становится положительной величиной (рис. 20.13).

На основании всего сказанного выше следует заключить, что на эволюцию иммунитета не следует смотреть только как на самостоятельную линию исторического развития, связанную с анти- инфекционной защитой, но скорее как на такой эволюционный процесс, который самым тесным образом связан с эволюцией многоклеточных вообще. В связи с подобными представлениями кажется разумным утверждение, согласно которому исторически развивающийся иммунитет явился одним из важных факторов прогрессивной эволюции в мире животных.

Выяснение механизмов, препятствующих мутационному потоку в процессе индивидуального развития, и разработка вопроса о значении таких механизмов в прогрессивной эволюции -г это в действительности познание еще одного фактора стабильности в биологии. Жизнь на нашей планете представлена хорошо обособленными, дискретными формами, которые образуют собой видовую мозаику биосферы. Стабильность генома в ряду поколений обеспечивается механизмами наследственности. Имеющиеся мутационные нарушения генетического аппарата половых клеток незначительны, хотя и необходимы для эволюционного преобразования.

Стабильность индивидуального развития — залог осуществления наследственной преемственности. Иными словами, стабильность в процессе онтогенеза требуется для доставки наследственного материала от особей одного поколения особям другого. Од-

ним из механизмов генетической стабильности соматических клеток в процессе онтогенеза является специфический иммунитет. Это утверждение справедливо для большинства многоклеточных форм жизни. Без формирования в онтогенезе и эволюционного развития в филогенезе механизмов иммунологического контроля за соматическим мутагенезом жизнь достаточно организованных многоклеточных была бы невозможна.

Иммунная система осуществляет защиту организма от проникно­вения генетически чужеродных тел: микроорганизмов, чужих клеток, инородных тел и др. Ее действие основано на способности отличать собственные структуры организма от генетически чужеродных, элиминируя последние.

В эволюции формировалось три главных формы иммунного отве­та: 1) фагоцитоз, или неспецифическое уничтожение генетически чу­жеродного материала; 2) клеточный иммунитет, основанный на спе­цифическом распознавании его и уничтожении Т-лимфоцитами; 3) гуморальный иммунитет, осуществляемый путем трансформации В-лимфоцитов в плазматические клетки и синтез ими антител (иммуноглобулинов).

В эволюции, выделяют три этапа в формировании иммунного от­вета:

— квазиммунное(лат. «квази» — наподобие) распознаваниеорга­низмом своих и чужеродных клеток. Этот тип реакции наблюдается, начиная от кишечнополостных и кончая млекопитающими. При этом ответе не формируется иммунной памяти, то есть еще не происходит усиления иммунной реакции на повторное проникновение чужеродного материала;

— примитивный клеточный иммунитетобнаружен у кольчатых червей и иглокожих. Он обеспечивается целомоцитами – клетками вторичной полости тела, способными уничтожать чужеродный материал. На этом этапе появляется иммунологическая память;

— система интегрированного клеточного и гуморального имму­нитета.Для нее характерны специфические гуморальные и клеточные реакции на чужеродные тела, наличие лимфоидных органов им­мунитета, образование антител. Такого типа иммунная система не характерна для беспозвоночных.

Круглоротые уже способны формировать антитела, но вопрос о наличии у них вилочковой железы как центрального органа иммуно­генеза является пока открытым. Впервые тимус обнаруживается у рыб.

Тимус, селезенка, отдельные скопления лимфоидной ткани обна­руживаются в полном объеме начиная с амфибий. У низших позво­ночных (рыбы, амфибии) вилочковая железа активно выделяет анти­тела, что не характерно для птиц и млекопитающих.

Особенность иммунной системы иммунного ответа птиц состоит в наличии особого лимфоидного органа — фабрициевой сумки. В этом органе В-лимфоциты после антигенной стимуляции способны транс­формироваться в плазматические клетки, вырабатывающие антитела.

У млекопитающих органы иммунной системы разделяют на 2 ти­па: центральные и периферические. В центральных органах иммуно­генеза созревание лимфоцитов происходит без влияния антигенов. В периферических органах иммуногенеза происходит антигензависимое Т и В — размножение и дифференцирование лимфоцитов.

На ранних стадиях эмбриогенеза из желточного мешка в тимус и красный костный мозг мигрируют стволовые лимфатические клетки. После рождения источником стволовых клеток становится красный костный мозг. Периферическими лимфоидными органами являются: лимфоузлы, селезенка, миндалины, лимфоидные фолликулы кишечника. К мо­менту рождения они еще практически не сформированы и размноже­ние и дифференцировка в них лимфоцитов начинается только после антигенной стимуляции мигрировавших из центральных органов иммуногенеза Т-и В-лимфоцитов.

ЭВОЛЮЦИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

Почти все живые организмы являются аэробами, то есть дышащи­ми воздухом. Совокупность процессов, обеспечивающих поступление и потребление О2 и выделение СО2, называется дыханием.

Функция дыхания у животных разной степени организованности обеспечивается по-разному. Наиболее простой формой дыхания явля­ется диффузия газов через стенки живой клетки (у одноклеточных) или через покровы тела (кишечнополостные; плоские, круглые и кольчатые черви). Диффузное дыхание встречается также у мелких членистоногих, имеющих тонкий хитиновый покров и относительно большую поверхность тела.

С усложнением организации животных формируется специальная система органов дыхания; Так уже у некоторых водных кольчецов появляются примитивные органы дыхания — наружные жабры (эпителиальные выросты с капиллярами), При этом в дыхании участ­вует и кожа. У членистоногих органы дыхания имеют более сложное строение и представлены у водных форм жабрами, а у наземных и вторичноводных легкими и трахеями (у наиболее древних членисто­ногих, таких как скорпионы, — легкие, у пауков — и легкие и трахеи, а у насекомых, — высших членистоногих, — только трахеи).

Функцию органов дыхания у низших хордовых (ланцетники) бе­рут на себя жаберные щели, по перегородкам которых проходят жа­берные артерии (100 пар). Поскольку деление артерий на капилляры в жаберных перегородках отсутствуют, общая поверхность поступле­ния О2 невелика и окислительные процессы идут на низком уровне. Соответственно этому ланцетник ведет малоподвижный образ жизни.

В связи с переходом позвоночныхкактивному образу жизни в ор­ганах дыхания возникают прогрессивные изменения. Так, у рыбв жаберных лепестках, в отличие от ланцетника, появляется обильная сеть кровеносных капилляров, их дыхательная поверхность резко увеличивается, поэтому число жаберных щелей у рыб сокращается до четырех.

Земноводные— первые животные, вышедшие на сушу, у которых развились органы атмосферного дыхания — легкие (из выпячивания кишечной трубки). В связи с примитивностью строения (легкие пред­ставляют собой мешки с тонкими ячеистыми стенками), количество кислорода, поступающего через легкие, удовлетворяет потребность в нем организма только на 30-40%, поэтому в дыхании принимает участие и кожа, содержащая многочисленные кровеносные капилляры (кожно-легочное дыхание).

Воздухоносные пути у амфибий слабо дифференцированы. Они соединены с ротоглоткой небольшой гортано-трахейной камерой.

У рептилийв связи с окончательным выходом на сушу происхо­дит дальнейшее усложнение дыхательной системы: Кожное дыхание исчезает, а дыхательная поверхность легочных мешков увеличивается, благодаря появлению большого количества разветвленных перегоро­док, в которых проходят кровеносные капилляры. Усложняются и воздухоносные пути: в трахее формируются хрящевые кольца, разде­ляясь, она дает два бронха. Начинается формирование внутрилегочных бронхов.

У птицв строении органов дыхания появляется ряд особенностей. Легкие у них имеют многочисленные перегородки с сетью кровенос­ных капилляров. От трахеи идет бронхиальное дерево, заканчиваю­щееся бронхиолами. Часть главных и вторичных бронхов выходит за пределы легких и образует шейные, грудные и брюшные пары воз­душных мешков, а также проникает в кости, делая их пневматичными. Во время полета кровь насыщается кислородом и на акте вдоха и на акте выдоха (двойное дыхание).

Млекопитающиеимеют легкие альвеолярного строения, благода­ря чему их поверхность в 50-100 раз больше поверхности тела. Брон­хи древовидно разветвлены и заканчиваются тонкостенными брон­хиолами с гроздьями альвеол, густо оплетенных кровеносными ка­пиллярами. Хорошо развиты гортань и трахея.

Таким образом, основное направление эволюции дыхательной системы заключается в увеличении дыхательной поверхности, ус­ложнении строения воздухоносных, путей и их обособлении от респи­раторных.