Чтобы прояснить некоторые важные концепции биологии развитии необходимо высказать некоторые общие утверждения об объяснениях и причинах. В философии метафизики причинность является предметом нескончаемых дискуссий. В то же самое время естественные науки, особенно биология, использует эту концепцию чрезвычайно упрощенным способом. По моему мнению чрезвычайная сложность биологических вопросов и чрезмерные знания, накопленные в последние несколько декад, призывают ученых естественников быть более осторожными с объяснениями. В то же самое время я полагаю, что философские дискуссии могут помочь прояснению путем увеличения междисциплинарных дискуссий. Естественная наука достигла зрелости и обладает высокой способностью давать сложные причинные объяснения. Чтобы понять процессы развития, необходима математическая информация, так Gilbert and Sarkar (2000) аргументировали: "combination of microarray and computer technology may finally allow us to have a multivariable developmental biology of the kind that Bertalanffy and Weiss would have appreciated". Это, однако, делает необходимой переоценку наших теоретических посылок в общей биологии и в развитии, в частности. Следовательно, теоретические и философские предположения не могут быть игнорированы. Объяснение любого события в природе требует описания его контекста или (границ) условий. Я определяю здесь пограничные условия (boundary conditions) как необходимые условия для феномена, находящегося в исследовании. Мы могут наблюдать физические законы и силы только внутри определенного контекста. Это тривиально: мы не можем наблюдать свободное падение камня столь долго, сколь ко бы желали. Каждое состояние д. описываться как конфигурация (паттерн) разных физических сил, каждое изменение этого состояния как изменение этого паттерна. Аристотель в своей теории причинности уже использовал (границы) условия как объясняющие существенные факторы. Он внес 4 разных формы объяснений или причин (see e.g. Barnes, 1982). Одна из них, causa formalis, особенно важна для наших целей; она может быть описана как паттерн или природа (what is?) феномена. Др. причинами являются материал или субстрат, цель или добро (good) и источник изменения (Metaphysics B:I, P:3). В posterior analytics (A. Post, B:II, P:2) Аристотель говорит "What is a [lunar] eclipse" и дает ответ "The privation of the moon's light by interposition of the earth". Т.о., паттерн обстоятельств (circumstances), включая луну, землю и свет, используется для объяснения элипса. Т.к. для Аристотеля вопрос "What is.?" идентичен вопросу "What is the reason of.?", то паттерн д. рассматриваться как причинный фактор (A. Post, B:II, P:2). Ясно, что граница условий или контекст являются необходимыми компонентами для объяснения каждого физического события. Однако имеется тенденция отрицать его причинную роль, объявляя, что только эффективная причина (источник изменения) имеет отношение к объяснению (Mahner and Bunge, 1997). С др. стороны, подчеркивается, что реальная физическая комплексная система (e.g. the Benard convection) boundary conditions играет критическую причинную роль (Anderson and Stein, 1987). Как аргументирует Michael Polanyi (1969) то же самое верно и для машин. С его точки зрения машину нельзя объяснить в терминах физики и химии. Он полагает, что понятие causa formalis имеет огромное значение в биологии, т.к. оно объясняет, как определенные изменения могут появиться даже в отсутствие efficient причины. Такие ситуации широко распространены в биологии: если некая функция не будет осуществлена или если некая субстанция оказывается недоступной, однако несмотря на это организм может подвергнуться изменению. В таком случае boundary conditions играют без сомнения причинную роль. Эта причинная роль, осуществляемая boundary conditions особенно важна для объяснения развития. Это потому, что развитие является процессом, который не только использует уже существующие условия, но создает также новые условия. Эта идея становится распростаненной, так роль causa formalis оказывается критической в возникновении морфологических новшеств и существенно возрастает в ходе биологической эволюции (Newman and Muller, 2001).

К сожалению рассмотрение понятия контекст находится вне пределов большинства недавних подходов к морфогенезу. Вместо этого рациональные (efficient) молекулярные факторы - морфогены и морфогенами обусловленные взаимодействия рассматриваются как критические, объясняющие инструменты в биологии развития. Эта концепция подразумевает, что неравномерное распределение морфогенов (обычно в форме градиента) ведет к ступенчато-образному прерыванию симметрии в эмбрионе и к его последующему морфогенезу и дифференцировке.

History of the gradient concept The idea of gradients in developing organisms is very old. Theodor Boveri (Boveri, 1901) seems to be the first who suggested that a gradient (Gefall), or differential concentrations of substances, determines the cell's fate. Later Child developed a detailed theory of gradients (Child, 1941). His idea was based on experimental results showing different regenerative potencies in planarians and other lower invertebrates along the anterior-posterior axis. The gradient postulated by Child was a metabolic one and assumed to be generated by unspecific external excitation and its transmission. Therefore the formation of the gradient was possible without any pre-existing differentiation (op cit., pp. 702). Child also recognized the relation between gradients and genes: "If a gradient extends over more than a single cell, cell along its course represent different levels and these differences provide a basis in difference of gene action, certainly an essential factor in differentiation" (op cit., pp. 298).

The famous experiments of Sven Hцrstadius (1939) demonstrated differences in the developmental potencies along the animal-vegetal axis in sea urchin embryo. It was shown that the limitation of the fate of embryonic substratum is related to its position within embryo in a gradual manner. Hцrstadius interpreted his results in terms of gradients of animalizing and vegetalizing substances. The gradient view is closely related to the concept of positional information (see e.g. Wolpert 1996). This concept implies that the cells acquire a positional value with respect to boundaries and then interpret it in terms of a programme determined by their genetic constitution and developmental history. The concept of morphogen was introduced - a class of substances causing a specific outcome of development. The positional value was assumed to be generated by interaction of a cell with different concentrations of a morphogen. Morphogens are defined as soluble substances that diffuse from the site of their synthesis and thus form a concentration gradient. The first clear demonstration of morphogen gradient and its role in the development of Drosophila melanogaster was provided by Driever and Nьsslein-Vollhard (1988). During the last two decades the knowledge about morphogens has been expanded enormously. Different questions may arise with regard to gradient-based theory. Why do we need gradientbased explanation? Where do the gradients originate? What is their proximate effect? And what is their real role in morphogenesis?

Существование различных типов клеток в организме и их точная морфология нуждаются в объяснении причин. Специфические физические взаимодействия ответственны за последовательное (successive) нарушение симметрии внутри организма и за спецификацию его частей. Следующие теоретические резоны подразумевают логическую необходимость теории, базирующейся на морфогене: (i) Так как геномы эквивалентны во всех клетках, то причина гетерогенности д. б. внешней (эпигенетической): сигналы извне д.б. ответственны за варьирующую экспрессию генов. (ii) Известно, что специфические рецептор-лиганд взаимодействия способны модифицировать экспрессию генов. (iii) Лиганды являются внешними сигналами. (iv) Т.о., эти молекулярные лиганды д.б. неравномерно распределены для того, чтобы активировать гены разными путями.

Как д. создаваться такое распределение? Теория диффундирующего морфогена, которые формирует градиент, была наиболее успешной в последние годы (Lawrence 2001, Ephrussi and St. Johnston, 2004). Механизмы диффузии были предметом интенсивных исследований (Belenkaya et al., 2004, Smith and Gurdon, 2004). Разные эксперименты показали зависимое от концентрации действие морфогенов. Напр., activin (субстанция из TGF-beta группы) способен действовать зависимым от концентрации способом (Gurdon and Bourillot, 2001). Activin-нагруженные кусочки помещали в сферические реагрегаты клеток из двух лицом к лицу анимальных шапочек бластул Xenopus. Эксперименты показали, что самые высокие концентрации активина ведут к экспрессии специфичного для организатора goosecoid, а низкие концентрации к экспрессии мезодермального маркера Xbrachyury. Достигалась не только экспрессия генов, но и происходила специфическая клеточная дифференцировка. Asashima и др. (2000) индуцировали разные типы тканей воздействуя разными концентрациями activin.

Как создается подобное распределение? Само-организация и простая или регулируемая диффузия приходят на ум. Теория диффундирующего морфогена, который формирует градиент наиболее успешна в последние годы.

Как подчеркивалось выше, объяснение нарушения симметрии (symmetry-breaking) исключительно за счет предсуществующей локальной асимметрии не подходит. Неравное распределение морфогена с помощью диффузии уже нуждается в установившейся асимметрии. Это ведет к (infinite explanatory regress) беспредельному объясняющему регрессу. Но даже если мы попытаемся объяснить нарушение симметрии ссылкой на скрытый беспредельный регресс, то любая флюктуация д. приводить к нарушению онтогенетической "program". Следовательно, очевидно, что главная проблема базирующегося на градиенте объяснения заключается в том, что молекулярные события не ясны. Открытие стабильного (robust) характера развития противоречит специфической природе молекулярных взаимодействий внутри клетки (Namba et al., 1997, Knecht and Harland, 1997, Hochmandzadeh et al., 2002, Stern et al., 2004, for theoretical consideration and reviews see Goodwin, 1996, Beloussov, 1998, Kirschner et al., 2000, Gilbert and Sarkar, 2000, Jaeger et al., 2004). Нормальное развитие может происходить несмотря на вариабельность в количестве клеток (Frankhauser, 1945, Day and Lawrence, 2000), в размерах эмбрионов (Rands, 1986, Power and Tam, 1993, Kirschner et al., 2000) и микроскопичеких механизмах (equifinal регуляция).

Equifinal развитие приводит к формированию очень сходных структур из сходных или даже идентичных инициальных условий с помощью разных пространственных путей (Wagner, 1994, Cherdantsev, 2003). Cherdantsev and Krauss (1996) продемонстрировали удивительную вариабельность механизмов гаструляции в развитии колониальных hydroid, Dynamena pumila. Развития является также устойчивым (robust) в отношении альтераций активности морфогена. Bicoid (bcd) является транскрипционным фактором, критическим для образования передне-задней оси эмбрионов Drosophila, действующим зависимым от концентрации способом. Изменения концентрации bcd ведут к инициальному отклонению онтогенетической программы у D. melanogaster. включая изменения экспрессии генов и ранних морфологических маркеров. Однако, эти альтерации регулируют так, что развиваются нормальные взрослые мухи (Namba et al., 1997). Следовательно, корректный паттерн может быть создан несмотря на изменения как молекулярных, так и морфологических процессов. Кроме того, было показано, что хотя градиенты bcd и обнаруживают высокую изменчивость от эмбриона к эмбриону, но последующие ракции тканей на bcd высоко устойчивы и шумы отфильтровываются (Houchmandzadeh et al., 2002).

Др. критическое положение получено в тератологии. Экспериментальные манипуляции и наблюдаемые аномалии подтверждают глобальную роль морфогенов: паттерны большинства аномалий могут быть систематизированы, используя макроскопические категории, и это подтверждает реакцию эмбриональной ткани in toto (rev. Tsikolia, 2003). Воздействия морфогенетически активными субстанциями могут приводить в результате к глобальным реакциям внутри ткани (формирование второй оси, организатора или удвоений конечностей и т.д.). Мутантные фенотипы, в которых собственно функционирование определенных морфогенетически активных субстанций блокировано, могут быть нормализованы простым внешним добавлением той самой субстанции. Соотв., наиболее успешные интерпретации аномалий у людей появляются в виде точки зрения теории поля (Martinez-Frias et al., 1998). С др. стороны, как продемонстрировано огромным количеством экспериментов за последние 20 лет, молекулярные события, в самом деле, играют важную роль в формировании паттерна.

Одним из подходов для решения этого кажущегося противоречия может быть изучение стабилизирующей роли пограничных условий (boundary conditions). Снятие информации о градиентах, как было показано, является критическим для эффекта bicoid градиента на установление градиента hunchback (Hochmandzadeh et al., 2002). Возникает вопрос, какого типа пограничные условия активны в организме и как они могут корректировать отклонения градиентов? Дополнительная информация о сложности действия морфогенов получена недавно. Установлено, что морфоген может распределяться не только за счет диффузии белка от своего источника, но и также благодаря поляризованному росту и распаду мРНК (Dubrulle and Pourquie, 2004). Авт. показали, что FGF8 мРНК продуцируется в растущем заднем кончике ткани и позднее деградирует, давая в результате градиент мРНК в задней части эмбриона. Др. интресное наблюдение сделано Harfe и его группой (2004), оно еще больше усложняет модель пространственного градиента. Авт. изучали способ действия sonic hedgehog (Shh) в формировании пальцев позвоночных. Sonic hedgehog хорошо изученная субстанция и рассматривается как прототипический способный к диффузии морфоген (Zeng et al., 2001). Однако, было показано, что формирование паттерна почки конечности осуществляется посредством миграции клеток, ранее экспрессировавших Shh скорее, чем клетками, осознающими свое положение в градиенте Shh (Harfe et al., 2004). Данные, представленные выше подтверждают, что реальная роль морфогена и его распределения по ткани несовместима с классической концепцией. Более того, дополнительные, не локальные принципы, как было показано, играют причинную роль в развитии.

Механические стрессы, как было показано, играют критическую роль в формировании паттерна и морфогенезе (Harris, 1987, Beloussov, 1998). Было показано, растягивание у Xenopus зоны suprablastopore перпендикулярно AP оси ведет к формированию оси, которая перпендикулярна по отношению к проспективной ориентации голова-хвост (Beloussov et al., 1988, Beloussov and Ermakov, 2001). Индукция involution движений внутри вентро-латеральных частей ранней гаструлы Xenopus ведет к образованию осевых рудиментов в аномальных местах (Beloussov and Snetkova, 1994). Сходные механические манипуляции ведут к инверсии дорсо-вентральной полярности у эмбрионов manipulations lead to inversion of dorso-ventral polarity гольца (loach) (Cherdantsev, 2003). В обоих случаях образование оси индуцируется на стороне, противоположной проспективной. Искусственные альтерации из механических стрессов у эмбрионов Drosophila ведут к изменениям профилей генной экспрессии (Farge, 2003). Неравномерное распределение (градиенты) морфогенов на ранних стадиях являются предметом интенсивных исследований. Дорсо-вентральные и animal-vegetative градиенты в бластуле Xenopus, как полагают, являются причинами формирования эмбриональных осей (de Robertis et al., 2000). Однако, разные механические манипуляции вызывают изменения в судьбе эмбрионального материала уже предположительно пре-паттернированного с помощью градиентов морфогенов. Такие механические стрессы без сомнения играют причинную роль в онтогенетическом процессе. Предполагается, что механика эмбриона может прекрасно выступать в качестве причинно действующих пограничных условий, в которых мы нуждаемся.

На клеточном уровне роль механики также была исследована. Клетки и их геномы способны отвечать на механические воздействия специфическим образом (Opas, 1994, Ingber, 2003). Роль механики кровотока на формирование сосудов и сердца предполагалась уже давно (Spitzer, 1923). Недавно было показано, что альтерации в экспрессии генов в ответ на индуцированные кровотоком силы обнаруживаются как в кардиальных, так и сосудистых эндотелиальных клетках (Garcia-Cardena et al., 2001, Hove et al., 2003). Прекращение кровотока во время развития сердца ведет к образованию сердец с аномальной третьей камерой, уменьшает петлеобразование сердечной трубки и нарушает формирование клапанов (Hove et al., 2003). Реакция клеток на механические влияния является специфической (Carcia-Cardena et al., 2001). Клетки способны делать различия между разными механическими стимулами, напр., между одноосевой и многоосевыми силами (Hornberger et al., 2005).

Huang and Ingber (2000) предположили, что поведение клетки может быть описано в системе модели, базирующейся на привлечении (attraction). Они описали 5 разных способов поведения клеток (покой, апоптоз, пролиферация, дифференцировка и движение) в качестве стабильных состояний. Следовательно, эти состояния могут быть изменены или стабилизированы с помощью разного типа внешних воздействий - как специфических молекулярных, так и не специфических физических - и, следовательно, могут вность вклад в развитие или гомеостаз. Согласно этим авторам контроль клеточных функций базируется на "selection of preexisting (latent) behavioural modes of the cell, rather than instruction by specific binding molecules" (Huang and Ingber, 2000).

Следовательно, возможно, что основной ролью морфогенов является модификация клеточного поведения, ведущая к зависимой от компетенции дифференцировке клетки. В этом случае роль морфогена д.б. скорее пермиссивной, чем инструктивной. Эта идея открывает также возможность объяснить эмбриональную регуляцию: permission может иметь разные контекст-зависимые коды.

Т.к. морфогены действуют в контексте глобальных процессов многоклеточного развития, то их роль д. модифицировать эти процессы. Морфогены д. модифицировать состояние клетки путем канализации в один из пред-сущестующих способов поведения согласно модели Huang and Ingber (2000). Набор возможных способов поведения клетки может быть назван компетентностью, которая классически определяется как "ability to respond to a specific inductive signal" (Gilbert, 2003). Следовательно, мы нуждаемся в competence-ориентированном подходе к функции морфогенов в морфогенезе. Это предположение возникает при сравнении действия морфогенов в разных контекстах. Известно, что один и тот же морфоген может действовать на разных стадиях развития, у разных организмов и во время нормального и патологических процессов у взрослых организмов. Напр., Wnt/β-catenin путь на ст. бластулы является критическим для формирования дорсо-вентрального паттерна и экспрессируется дорсально (de Robertis and Kuroda 2004). Во время гаструляции тот же самый путь вовлекается в процесс posteriorisation нервной трубки (Kiecker and Niehrs 2001). Этот путь играет разные роли во время последующих стадий и также для поддержания морфологии взрослых. То же самое верно и для BMP (e.g Wawersik et al., 2005) и др. субстанций. Анализ действия некоторых хорошо известных диффундирующих морфогенов и внутриклеточных факторов показывает. что такие морфогены работают сходным образом во многих разных контекстах, тогда как др. нет. В этом отношении может быть интересно изучение сигнального пути при канцерогенезе и тератологических аномалиях.

Эндогенные субстанции, которые играют роль в канцерогенезе обычно подразделяют на две или более групп. Продукты определенных генов (онкогенов) и некоторые др. субстанции имеют тенденцию усиливать злокачественный рост, тогда как др. субстанции (напр., продукты генов супрессоров опухолей) обнаруживают денденцию ингибировать его. Это осуществляется посредством усиления или ингибирования пролиферации, дифференцировки и апоптоза. Те же самые события играют ключевую роль в морфогенезе. Очевидно, что морфогенетически активные субстанции могут быть подразделены сходным образом. Во что это выливается, я попытаюсь коротко описать на примере избранных морфогенов в контексте клеточного поведения, посредством их роли в канцерогенезе.

Прежде всего необходимо рассмотреть роль избранных субстанций в пролиферации, клеточных движениях, дифференцировке и апоптозе. Должно быть также изучено влияние морфогенеов на онтогенетические поля с помощью тератологических аномалий.

Sonic hedgehog (Shh) секретируемый белок из семейства hedgehog. Можно ли рассматривать влияние, которое Shh может оказывать на клеточное поведение? Очевидно, что Shh действует, как правило, в контекста физиологического или аномального роста. Путь Shh аберрантно активируется при некоторых озлокачествлениях у людей, включая базально-клеточную карциному (Holikova et al., 2004), medulloblastoma (Leung et al., 2004), рак простаты (Sheng et al., 2004) и кишечника (Oniscu et al., 2004). Shh важен для выроста зачатков конечностей (Kraus et al., 2001) и роста трахей (Kato et al., 2004). Sonic hedgehog оказывает митогенный эффект на стволовые клетки subventricular zone (SVZ) в переднем мозге мышей (Palma et al., 2005). Shh участвует в формировании паттерна мозжечка путем поддержания пролиферации и необходим для генерации существенного количества пулов клеточных предшественников (Coralles et al., 2004). Экспрессия Shh в эпителии кишечника взрослых людей наиболее сильная в базальных слоях, что подтверждает роль пути Shh в поддержании их популяции стволовых клеток (Nielsen et al., 2004). Дефицит Shh ведет к разным проявлениям holoprosencephaly из-за отсутствия или недостатка разделения полушарий мозга (Ahlgren et al., 1999). Этот эффект четко демонстрирует глобальную роль этого морфогена, т.к. отсутствие Shh вызывает нарушения онтогенетического поля. Shh, как было установлено, необходим для выживания миогенного и хондрогенного клонов сомитов (Teillet et al., 1998). Все упомянутые выше процессы непосредственно связаны с ростом и пролиферацией. С др. стороны, субстанция обладает некоторыми функциями, не связанными с пролиферацией, такими как формирование лево-правосторонней оси (King and Brown, 1999). Более того, Shh в некоторых случаях, по-видимому, участвует в клеточной дифференцировке, напр., во время хондрогенеза (Iwamoto et al., 1999). Было предположено, однако, что роль Shh может быть связана с генерацией клеток предшественников, компетентных к хондрогенезу в ответ на передачу сигналов BMP (Murtaugh et al., 1999).

Путь Wnt/β-catenin активируется в растущих и увеличивающихся тканях (Megason and McMahon, 2002) и опухолевых клетках (Moon et al., 2004). Активация пути Wnt помогает поддерживать характеристики стволовых клеток эпидермиса (Alonso and Fuchs, 2003) и гематопоэтических клеток (Reya et al., 2003) и ингибирует дифференцировку пре-адипоцитов в адипоциты (Ross et al., 2000). Очевидно, что путь Wnt/β-catenin является критическим для поддержания эмбриональных стволовых клеток в их недифференцированном состоянии (Feng et al., 2004). С klh/ стороны, известно, что путь Wnt действует зависимым от стадии способом и способствует дифференцировке нервных клеток (Hirabayashi et al., 2004) и само-обновлению клеток нейральных предшественников (Megason and McMahon, 2002, Kubo et al., 2003). Разные компоненты сигнального Wnt пути вовлекаются в канцерогенез у людей или у экспериментальных моделей раковых опухолей (Morin, 1999, Moon et al., 2004, Logan and Nusse, 2004). Мутационная активация человеческого β-catenin выявлена в раке толстого кишечника у людей, при hepatocellular carcinoma, ovarian cancer, melanomas, prostate cancer и др. Инактивация Wnt3 ведет к tetra-amelia (потере всех 4-х конечностей: Niemann et al., 2004). Интересно, что аномальная активация пути Wnt меняет онтогенетический потенциал эмбриональной легочной энтодермы и ведет к образованию ткани, подобной кишечной с высокой пролиферацией (Okubo and Hogan, 2004). Инактивация пути ведет к повышенной деградации β-catenin, усиливает нейрональный апоптоз и ассоциирует с болезнью Алцгеймера (Zhang et al., 1998). Следовательно, путь Wnt часто играет роль активатора пролиферации.

RA затрагивает канцерогенез противоположным по сравнению с Wnt образом, ингибируя его. Это ведет к остановке клеточной пролиферации, апоптозу и дифференцировке и используется как агент, индуцирующий дифференцировку при злокачественных заболеваниях (Jimenez-Lara et al., 2004). RA участвует в экспансии задних структур заднего мозга (Dupe and Lumsden, 2001) и необходима для нейрональной дифференцировки, действуя противоположно пролиферации, обусловленной FGF (Corral and Storey, 2004). RA необходима для контроля клеточной пролиферации во время васкулогенеза, т.к. её дефицит ведет неконтролируемой пролиферации (Lai et al., 2003). RA, как было показано, снижает пролиферативную активность мигрирующих клеток нервного гребня (Salvarezza and Rovasio, 1997). Воздействие RA ведут к различным глобальным аномалиям, типа удвоений конечностей и задней части тела (Niederreiter et al., 1996) или к потере задней части эмбриона (Kessel, 1992). Интересно, что RA воспроизводит дефицит Shh, ведущий к holoprosencephaly (Cordero et al., 2002). Этот эффект сравним с антипролиферативным характером активности RA. RA необходима для установления передне-задней полярности конечностей путем генерации ZPA (Niederreither et al., 2002) а также участвует в регенерации конечностей (Maden, 1998) и хрусталиков (Henry, 2003). Недавно установлено, что RA может индуцировать регенерацию альвеол (Maden and Hind, 2004), эффект успешно используемый для экспериментального лечения легочной эмфиземы у мышей.

Bone morphogenetic protein (и близко родственный DPP), по-видимому, участвуют в ингибировании пролиферации и клеточных движений. Субстанция действует как ингибитор роста при разных опухолях (Kawamura et al., 2002, Miyazaki et al., 2004). BMP экспрессируется в вентральной части эмбрионов Xenopus, но ингибируется в дорсальной части, которая подвергается convergent extension (Dale and Jones, 1999). BMP ведет к апоптозу межпальцевой мезенхимы (Merino et al., 1998), ингибирует самообновление кишечных стволовых клеток (He et al., 2004), рост трахей у Drosophila (Kato et al., 2004), индуцирует нейрогенез в клетках нервного гребня (Shah et al., 1996), стимулирует эмбриональные стволовые клетки крыс к развитию в нервный гребень (Cajavelli et al., 2004) и специфицирует дорсальные типы клеток в нервной трубке (Chesnutt et al., 2004). С др. стороны, BMP возможно позитивно вовлекается в пролиферацию хондроцитов ростовых пластинок (Minina et al., 2001).

Экспериментальные подходы к эффектам морфогенов на поведение клеток могут предоставить интересную информацию о морфогенезе. Однако. не существует один-к-одному взаимоотношений между морфогеном и его функцией: BMP действует в большинстве случаев как супрессор пролиферации, но иногда как активатор. Сходным образом, классический онкоген Ras ведет к усилению пролиферации и ингибированию (Diaz et al., 2002). Очевидно, что хотя субстанция может выполнять некоторые "canonical" функции, оппозитные также могут иметь место. Ситуация осложняется регуляцией с помощью позитивных и негативных петель обратной связи разных морфогенов и с помощью взаимодействия между разными сигнальными путями. Напр., путь TGF-β/Smad ингибирует пролиферацию эпителиальных и др. типов клеток или путем блокирования хода клеточного цикла в G1 или путем стимулирования апоптоза (Ten Dijke et al., 2002). Кроме того, TGF-β участвует в дифференцировке путем стимулирования конверсии фибробластов в миофибробласты в ходе заживления ран и способствует образованию богатой коллагеном рубцовой ткани. Потеря ингибирования роста посредством TGF-β-обусловленного пути вносит вклад в генез нескольких типов раковых опухолей у людей. С др. стороны, злокачественные трансформированные клетки часто устойчивы к ингибирующему рост действию TGF-β. Более того, TGF-β сигнал сам по себе, как недавно было установлено, поддерживает раковые клетки, особенно в поздней фазе прогрессирования опухоли (Bachman and Park, 2005). Это может быть обусловлено кооперативным эффектом TGF и Ras, которые меняют реакцию в эпителиальных клетках на TGF-β (Massague and Chen, 2000). Показано, что кооперация между Ras онкогеном и передачей сигналов TGF ведет к трансдифференцировке эпителиальных клеток молочных желез в высоко инвазивные и метастазирующие (Oft et al., 1998). TGF и Ras пути взаимодействуют в злокачественных клетках поджелудочной железы, приводя к эпителиально-мезенхимной трансформации и обусловливая инвазивный фенотип (Ellenrieder et al., 2001). Wnt/β-catenin b TGF/Smad пути взаимодействуют во время раннего развития Xenopus и способны усиливать др. др. (de Robertis and Kuroda, 2004).

From a theoretical point of view any local explanation of morphogenesis is not appropriate. It seems rather that both local and global interactions are important parts of the development. This means that the action of any morphogen should be considered in the context of the morphogenetic behaviour of cells and tissues. Interactions between mechanical and chemical influences should be rigorously studied. It seems that the main action of morphogens consists in the modulation of cell behaviour in a context and competence-dependent manner. This can occur either directly or by complicated processes involving many pathways. However, it is not clear whether all the experimental findings could be interpreted in this way: the experimental data already cited, provided by Asashima and his co-workers (2000) suggest direct differentiating action of different concentrations of morphogen, although indirect influence via cell behaviour could not be ruled out. Another example is the role of Shh gradient in the ventral patterning of the neural tube which cannot be easily interpreted as a stimulation of proliferation. Shh is secreted by floor plate cells and forms a long-range gradient important for dorso-ventral patterning of neural tube (Briscoe and Ericson 2001). Whether the patterning of the neural tube is directly caused or simply mediated by a graded activity of Shh is not clear since an Shh - independent mechanism has also been observed (Persson et al., 2002). Further experiments are needed in order to define a specific role of morphogens in morphogenesis and differentiation.

It could be argued that the approach proposed in this paper ignores the specificity of the molecular action of morphogenes. This objection disappears, however, if we remember that the same morphogens and pathways play different roles in different species and even at different sites or at different stages of development of the same species. As mentioned above, the “famous” Wnt/в-catenin pathway acts in most known phyla, at different developmental stages and in the adult organisms. This means that the morphogens are most probably playing a permissive role within a given context. In order to overcome this difficulty, interactions between different pathways should be postulated. This postulation, however, leads to an increase in explanatory complexity. Meanwhile, the higher is the level of molecular complexity, the lower would be the possibility of explaining the robustness of morphogenesis. Therefore a kind of a complementarity emerges between global robust processes and local, precise mechanisms. Embryonic regulations have shown that the cell’s fate depends upon something more than just highly specific local interactions. Rather, the cell’s fate is a function both of the molecular microenvironment and of global conditions. Both factors influence the behaviour of a particular cell within the framework of its history and actual conditions. The latter, which are also embraced by the notion of a competence, undoubtedly plays a causal role by restricting the instructive role of external influences. Therefore development can be considered as a stepwise interaction between embryonic material and external influences.

Whatever may be the proper function of morphogens, they (regarded as a system) are only one, although a necessary, part of the developmental program. The mechanical processes and the dynamics itself perform the functions of both context and causes.

Crucial in this connection is the concept of morphogenetic field that can be helpful by defining the boundary conditions which determine development. A morphogenetic or a developmental field is a discrete area of the embryo and a mediator between phenotype and genotype (Gilbert et al., 1996). The morphogenetic field can be also defined as a piece of embryonic material constituting a given morphological structure (Davidson, 1993). Clinical geneticists interpret malformation in terms of developmental field defects (Martinez-Frias et al., 1998). But although the notion of morphogenetic field is frequently used in developmental biology and medical genetics, little is known about its nature. Gordon (1999) suggests that the morphogenetic field is the trajectory of a differentiation wave. Further progress in both developmental biology and theory of science is required in order to make this concept more transparent.

It can be proposed that both the ligand-mediated and stressmediated changes in the development of the organism play a causal role in the sense of a causa efficiens. Gradients of morphogens, metabolic gradients, mechanical stresses and competence create the boundary conditions, or causa formalis and influence the factors which are acting as efficient causes via the modification of cell behaviour within embryonic areas described as morphogenetic fields.