Биология размножения и развития

- в ходе регуляции индивидуального развития проявляет периодичность морфогенетической активности.

Рис. 15. Эксперименты Хеммерлинга, доказывающие выработку ядром ацетобулярии вещества, необходимого для регенерации шляпки (Л.И.Корочкин,1999)

3. Особенности взаимодействия генов в развитии организма

Многочисленные исследования в области генетики развития, эмбриологии и генетики свидетельствуют о том, что механизмы онтогенеза на различных уровнях являются универсальными и консервативными.

Можно сказать, что строительные «кирпичики», а порою и целые блоки, из которых складывается будущий организм, похожи друг на друга. Сходны и системы управления «строительством». А специфика развития разных организмов формируется за счет временных и пространственных различий в последовательности соединения этих «кирпичиков» в некое целостное «образование».

В результате были сформулированы общие закономерности генетической регуляции онтогенеза, которые проявляются в ходе такого «строительства». Эти закономерности касаются, во-первых, взаимодействия генов в развитии, во-вторых, организации генных систем, контролирующих развитие, в-третьих, особенностей функционирования этих систем.

Особенности взаимодействия генов в развитии организма следующие.

1. Основу индивидуального развития составляет взаимодействие генов, их системное, а не автономное функционирование.

2. Система генов, регулирующих развитие того или иного признака (или морфогенетического процесса) организована по иерархическому принципу, так что в каждом регуляторном генетическом «каскаде» существуют «гены-господа» и «гены-рабы». Первые - гены-господа - в случае их активации «разрешают» реализацию определенного морфогенетического процесса и включают «каскад» генов, которые этот процесс осуществляют - гены-рабы (рис. 16).

3. Генетические и молекулярно-генетические системы, управляющие развитием, удивительно консервативны и присущи как примитивным, так и высоко развитым организмам. Например, определенный мышиный ген способен заменить другой ген дрозофилы и «запустить» процесс развития глаза в ходе метаморфоза развивающейся мухи. Специфичность развивающегося органа (возникает-то глаз дрозофилы, а не мыши), очевидно, обусловлена особенностями функционирования регуляторных и структурных генов конкретного «каскада», которые химически обеспечивают морфогенез данного органа. От них может зависеть синтез продуктов, которые обеспечивают специфические межклеточные взаимодействия, определяющие становление вполне конкретной формы.

Рис. 16. Схема генетического контроля индивидуального развития на разных его этапах (Л.И.Корочкин, 1999)

4. Весь процесс индивидуального развития осуществляется на основе двух типов воздействия генов друг на друга: активирующие воздействия и тормозящие воздействия. Таким образом, развитие эмбриона, спецификация его клеток, их взаимовлияния в ходе морфогенеза основаны на «игре» этих факторов и установлении некоего «баланса» между ними. Итогом этого баланса является неравномерное распределение генопродуктов вдоль эмбриональных осей, так что создается своеобразная молекулярная мозаика, химически преформированный «план строения» организма, воплощаемый в жизнь в ходе онтогенеза.

Специфическое соотношение разных генопродуктов в различных регионах зародыша по сути дела и есть молекулярно-генетическая основа так называемой позиционной информации, т.е. зависимости судьбы той или иной клетки от того положения (позиции) в системе развивающегося организма, которое она занимает. А «сигналом», передающим позиционную информацию, как раз и являются особенности молекулярной «микросреды», в пределах которой происходит становление данной клетки (или клеток).

4. Особенности функционирования генетических систем, контролирующих развитие

Можно выделить следующие особенности функционирования генетических систем, контролирующих развитие организмов.

1. «Опережающее» функционирование генов в ходе онтогенеза. Известно, что многие продукты синтезируются в развивающемся зародыше «заранее», часто задолго до того, как они будут востребованы. Это, в частности, вещества, которые участвуют в «разметке» плана строения организма (продукты генов сегментации, гомеозисных генов), в осуществлении эмбриональной индукции (индуцирующие вещества и их ингибиторы). Некоторые молекулы, например, глобин, образуются еще в яйцеклетке, задолго до того, как они начнут выполнять свои функции в клетках эритроидного ряда.

2. Автономия частей при единстве целого. Это качество функциональной динамики генома отчетливо проявляется в раннем эмбриогенезе при созревании индуктора (хордомезодермы) и компетентной ткани (нейроэктодермы). Очевидно, что генетические системы, которые регулируют созревание индуцирующих свойств хордомезодермы и способность компетентной ткани реагировать на воздействие индуктора, функционируют в автономном режиме независимо от того, находится ли данная развивающаяся эмбриональная закладка в составе целого зародыша или вне его. Целостность же развивающейся системы обеспечивается за счет того, что в норме сроки созревания двух взаимодействующих тканей строго «подогнаны» один к другому, как бы «синхронизированы», в результате чего достигается нормальное течение онтогенетического процесса.

Мутации, которые вызывают рассогласование времени созревания взаимодействующих систем в развитии, нарушают целостность и гармонию морфогенетических событий и ведут к появлению различного рода дефектов развития.

3. Можно выделить три автономно функционирующие генетические системы, которые соответственно контролируют три автономных процесса - формообразовательные события, дифференцировка специфических морфологических типов клеток и химическая спецификация этих клеток.

Например, известны случаи, когда процесс нейруляции проходит нормально и нервная трубка замыкается, однако дифференцировки входящих в ее состав нейробластов не происходит. Напротив, в случаях нарушения замыкания нервной пластинки в нервную трубку наблюдалась дифференцировка нейробластов этой пластинки в нервные клетки, морфологически вполне развитые.

ЛЕКЦИЯ 11

ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ

ПЛАН

1. Гормоны, регулирующие некоторые процессы индивидуального развития

2. Процесс роста и его регуляция

1. Гормоны, регулирующие некоторые процессы индивидуального развития

Гормоны, влияющие на индивидуальное развитие, можно подразделить на две группы в зависимости от их источника.

1. Гормоны, синтезируемые в материнском организме, среди которых существенна группа гормонов, регулирующих репродуктивную функцию (процессы гаметогенеза, овуляции, и раннего эмбриогенеза). У млекопитающих ввиду внутриутробного характера развития эти гормоны, проникая через плаценту, могут оказывать воздействие не только на процессы гаметогенеза, но и на зародышевое развитие.

2. Гормоны, вырабатываемые эндокринной системой развивающегося организма и регулирующие рост, дифференцировку и специфическую физиолого-биохимическую деятельность клеток на конечных этапах их дифференцировки.

Гормональный контроль гаметогенеза. Процессы созревания половых клеток носят циклический или сезонный характер. Параметры циклов и сезонная активность гаметогенеза регулируются гормонами, продуцирующимися яичником и семенником. В свою очередь гормональная активность гонад находится под контролем гонадотропинов - гормонов гипофиза. Благодаря системной регуляции гормонами, гаметогенез и процессы созревания ооцитов скоординированы с деятельностью всех гистофизиологических элементов половой системы, включая подготовку и синхронизацию процессов, которые обеспечивают оплодотворение созревших половых продуктов, а у млекопитающих - подготовку условий, необходимых для эмбриогенеза. В оогенезе гормоны в наибольшей степени контролируют период большого роста ооцитов, их созревание и овуляцию.

Гормональный контроль некоторых органогенезов и гистогенезов. В период закладки зародышевых листков и зачатков основных органов собственные гормоны эмбрион еще не продуцирует, и регуляция процессов развития осуществляется в результате индукционных взаимодействий контактирующих клеток и клеточных слоев. Во время органогенезов и гистогенезов появляются гормоны, роль которых постепенно возрастает. Роль гормонов в органогенезах и гистогенезах хорошо изучена не во всех случаях, но исследователи полагают, что все органы и тканевые системы на том или ином этапе своего развития испытывают их регулирующее действие, необходимое для координированного роста, цитофизиологической дифференцировки и функционирования.

Роль гормонов хорошо исследована в развитии репродуктивных органов млекопитающих, в синтезе компонентов яйца в яйцеводе птиц, при развитии молочной железы. Хорошо изучена гормональная регуляция метаморфоза у амфибий и насекомых.

Роль гормонов в развитии репродуктивных органов. Развитие мужских и женских репродуктивных органов, гонад, системы выводящих протоков и наружных половых органов представляет собой хороший пример гормонального контроля органо- и гистогенезов. Рассмотрим, как осуществляется этот контроль у млекопитающих.

У млекопитающих гормоны определяют развитие только системы протоков репродуктивных органов самца; при отсутствии гормонов во всех случаях (в том числе и у генетически детерминированных самцов) развивается женская система протоков, т.е. из мюллерова протока формируется яйцевод, а мезонефрос и вольфов проток дегенерируют. В развитии мужских выводящих протоков играют роль два гормональных фактора, вырабатываемых клетками эмбрионального семенника: тестостерон, продуцируемый интерстициальными клетками (клетки Лейдига), и фактор, продуцируемый клетками Сертоли. Тестостерон - ответствен за развитие семявыносящего протока из вольфова канальца и наружных половых органов, а фактор, вырабатываемый клетками Сертоли, - за дегенерацию мюллерова протока (при его отсутствии мюллеров проток у самца сохраняется).

В развитии женских половых протоков гормоны не участвуют. Предполагается, что такой принцип (зависимое от гормонов развитие мужских и независимое от гормонов развитие женских протоков) служит приспособлением, связанным с внутриутробным характером развития млекопитающих, у которых женские гормоны легко проникают через плаценту и даже вырабатываются в самой плаценте. Если бы гормоны-эстрогены влияли на половую дифференциацию, они бы препятствовали развитию репродуктивных органов самцов в утробе матери.

Таким образом, развитие характерных для самца репродуктивных органов связано с совокупным последовательным действием двух факторов:

1) генетического, т.е. продукта активности гена У-хромосомы (Н - У-антиген), который стимулирует клетки мозговой части недифференцированной половой железы к образованию канальцев семенника;

2) гормонального - тестостерона и фактора, вырабатываемого клетками Сертоли, которые побуждают вольфов проток и верхний отдел мезонефроса к формированию системы семявыносящих протоков; одновременно эти гормоны вызывают дегенерацию мюллерова протока. В дальнейшем под влиянием тестостерона развивается и система наружных половых органов самца.

Развитие молочной железы. Развитие молочной железы и индукция в ее альвеолах синтеза и секреции молока также представляет собой яркий пример сложной гормональной регуляции процесса развития органа и его гисто-физиологического и функционального созревания.

У новорожденных животных (или человека) млечные железы представлены еще недоразвитой системой протоков - эктодермальными углублениями в подлежащую мезенхиму. С наступлением половой зрелости в крови повышается уровень эстрогена, который индуцирует дальнейшее разветвление и увеличение массы протоков железы. Но окончательная гисто-цитологическая дифференцировка и формирование секретирующих альвеол в конечных отделах протоков происходят в период беременности под влиянием большой группы гормонов - прогестерона, пролактина и лактогена, а в дальнейшем - в период кормления - высокий уровень пролактина поддерживает процесс лактации.

Гормональная регуляция системы синтеза компонентов яйца в яйцеводе птиц. Железистые клетки яйцевода птиц - хорошо изученная модель гормонального контроля за гисто-физиологической дифференцировкой синтеза специфических белков. Детальная морфологическая дифференцировка клеток, вырабатывающих, например, овальбумин (яичный белок), начинается лишь в период половозрелости под влиянием гормонов.

В яйцеводе птиц последовательно расположены отделы, в которых клетки специализированы на секрецию разных составных частей сложной оболочки яйца, - белка, подскорлуповых оболочек, скорлупы. В яйцеводе неполовозрелых животных эти отделы не функционируют. Однако если животным ввести эстроген, клетки эпителия яйцевода начинают пролиферировать и дифференцироваться, образуя трубчатые железы. В свою очередь клетки желез синтезируют и секретируют компоненты яичного белка.

Эстроген вызывает также дифференцировку специализированных клеток следующего отдела (гоблетовские клетки), синтезирующих овидин, но для индукции его синтеза необходимо присутствие прогестерона. В настоящее время хорошо изучены молекулярно-биологические аспекты индукции и синтеза овальбумина, детально исследована структура и экспрессия гена этого белка.

2. Процесс роста и его регуляция

Рост - это поступательное (ациклическое) изменение показателей массы и размеров организма. Как правило, рост связан с увеличением массы и размеров организма. Если бы организм не рос, он никогда бы не стал больше оплодотворенного яйца. Ряд исследователей, подходящих к росту с самых общих точек зрения, включают сюда и уменьшение массы (размеров), которое закономерно происходит у некоторых организмов при старении.

Рост обеспечивается следующими механизмами: 1) увеличением размера клеток, 2) увеличением числа клеток, 3) увеличением неклеточного вещества, продуктов жизнедеятельности клеток.

Прирост массы может осуществляться как за счет увеличения неорганических веществ, аккумулируемых организмом (например, рост скелета, набухание тканей), так и непосредственно за счет увеличения живой цитоплазмы. Иногда эти процессы протекают раздельно. Например, увеличение массы растений путем всасывания воды происходит в тот период развития, когда клеточные деления уже прекратились, и объем живой цитоплазмы не возрастает.

С другой стороны, увеличение живой массы в эмбриональный или ранний постэмбриональный периоды слабо или вовсе не связано с аккумуляцией минеральных веществ. Существуют, однако, случаи, когда рост живой и рост омертвевающей массы взаимосвязаны. При этом имеется камбиальная зона, где клетки размножаются, и зона ороговения или минерализации клеток. Так растут раковины, рога и зубы.

Рост может происходить путем увеличения размеров клеток, которые при этом не делятся. Это более редкий тип роста, который называется ауксетичным. Он наблюдается у коловраток, круглых червей, личинок насекомых. У этих форм число клеток остается постоянным (явление эвтелии). При этом рост размеров отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацией клеточных ядер.

Кроме того, рост может быть связан с клеточным размножением. Это более обычный тип роста и называется он пролиферационным. Рассмотрим две основные формы этого типа роста.

Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления некоторой родоначальной клетки, снова вступают в деление. Число клеток при этом растет в геометрической прогрессии. Этот механизм дает наибольший вклад в увеличение массы растущего организма.

Однако мультипликативный рост в чистом виде либо не встречается в природе, либо быстро заканчивается.

Аккреционный рост в простейшем случае связан с тем, что после каждого последующего деления лишь одна из клеток снова делится, тогда как другая клетка деления прекращает. При этом число клеток растет линейно.

В эмбриональный и ранний постэмбриональный периоды развития рост большинства организмов больше всего соответствует мультипликативному росту.

Аккреционный рост связан с разделением органа на камбиальную и дифференцированную зоны, и с постоянным переходом клеток из первой зоны во вторую. При этом сохраняются постоянные соотношения между размерами этих зон. Такой тип роста характерен для органов, в которых происходит прирост или обновление клеточного состава в течение всей постэмбриональной жизни особи. Аккреционный тип роста свойственен таким системам, как эритроидная, слизистые покровы кишечника, дыхательные пути и др. В этом случае клетки, выходящие из зоны размножения, пройдя определенный путь дифференцировки, гибнут и разрушаются. А также он характерен для систем, в которых выходящие из зоны размножения клетки омертвевают, но сохраняются в форме рогов, зубов, раковин.

Из всех компонентов развития организмов рост наиболее доступен количественному описанию. В значительной мере это связано с тем, что рост можно считать самым длительным в онтогенезе, относительно монотонным и лишенным разрывов процессом. Поэтому он может быть представлен в виде непрерывных функций таких фундаментальных переменных, как время (возраст) и (или) масса (размеры).

В понятие роста входит также особый сдвиг обмена веществ, благоприятствующий процессам синтеза, поступлению воды и отложению межклеточного вещества. Рост происходит на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Увеличение массы в целом организме отражает рост составляющих его органов, тканей и клеток.

Рост организмов может быть неограниченный, который продолжается на протяжении всего онтогенеза, вплоть до смерти (например, у рыб). Для многих других позвоночных характерен ограниченный рост, т.е. эти организмы достаточно быстро выходят на плато своей биомассы.

Не менее важной особенностью является такое свойство роста, как эквифинальность. Это означает, что, несмотря на возникающие факторы, особь стремится достичь типичного видового размера. Как дифференциальность, так и эквифинальность роста указывают на проявление целостности развивающегося организма.

Скорость общего роста человеческого организма зависит от стадии развития. Максимальная скорость роста характерна для первых четырех месяцев внутриутробного развития. Это объясняется тем, что клетки в это время продолжают делиться. По мере роста плода число митозов во всех тканях уменьшается, и принято считать, что после шести месяцев внутриутробного развития почти не происходит образования новых мышечных и нервных клеток, если не считать клеток нейроглии.

Дальнейшее развитие мышечных клеток заключается в том, что клетки становятся больше, изменяется их состав, исчезает межклеточное вещество. Этот же механизм действует в некоторых тканях и в постнатальном росте. Скорость роста организма в постнатальном онтогенезе постепенно снижается к четырехлетнему возрасту, затем некоторое время остается постоянной, а в определенном возрасте опять делает скачок, называемый пубертатным скачком роста. Это связано с периодом полового созревания.

ЛЕКЦИЯ 12

РЕГЕНЕРАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ

ПЛАН

1. Физиологическая регенерация.

2. Репаративная регенерация.

3. Клеточные источники регенерации.

1. Физиологическая регенерация

Регенерация (от лат. геgепегаtio) означает возобновление или восстановление. В биологическом смысле регенерацией называют восстановление организмом утраченных или поврежденных частей. Различают физиологическую и репаративную регенерацию, а также целый ряд явлений, в той или иной мере сходных с регенеративными процессами.

Физиологической регенерацией называют постоянные восстановительные процессы, связанные с разрушением внутриклеточных структур и с гибелью клеток в ходе нормальной жизнедеятельности организма. В разных тканях и органах повреждаемость внутриклеточных структур и самих клеток неодинакова и зависит от многих факторов: режима функционирования, степени специализированности, действия повреждающих факторов и т.д. Интенсивная деятельность клетки сопровождается разрушением ее структур, истощением энергетических ресурсов, которые должны восполняться активной работой внутриклеточного биосинтетического аппарата. Если в результате дифференцировки клетка (например, эритроцит) частично или полностью теряет биосинтетический аппарат, то она не в состоянии восполнить утраченные элементы и ресурсы и погибает. Другая причина гибели клеток, восполняемых в результате физиологической регенерации, - прямое повреждающее действие внешних физических и химических агентов, отравление продуктами метаболизма самой клетки или других клеток. Таким образом, существуют два уровня физиологической регенерации.

1. Регенерация на молекулярно-субклеточном уровне - восстановление количества внутриклеточных элементов с помощью биосинтетического аппарата. Этот тип физиологической регенерации характерен для всех тканей и органов, но его значимость особенно велика для тканей, которые утратили способность к регенерации путем клеточного размножения. Так, клетки нервной ткани (за редким исключением) восстанавливаются только на молекулярно-субклеточном уровне, ибо их способность к делению проявляется только в некоторых экспериментах и в патологических случаях.

2. Пролиферативная регенерация обеспечивает восполнение численности клеток путем деления дифференцированных клеток или клеток эмбрионального типа.

Во многих тканях, особенно в соединительной и эпителиальной, существуют специальные камбиальные клетки и очаги их пролиферации. Это крипты в эпителии тонкой кишки, костный мозг, пролиферативная зона в эпителии хрусталика и эпидермисе кожи. Указанные ткани имеют чрезвычайно высокий уровень пролиферативной физиологической регенерации. Это обусловлено тем, что эритроциты, клетки кишечного эпителия, хрусталика, кожи в результате узкой специализации утрачивают биосинтетический аппарат и способность к регенерации на молекулярно-субклеточном уровне. Эти клетки обречены на гибель после непродолжительного функционирования. Например, среднее время жизни эритроцита теплокровного животного составляет 2-4 месяца; в течение этого времени вся популяция эритроцитов крови гибнет и замещается новой.

Еще выше темп обновления у эпителия тонкой кишки теплокровных животных. Продолжительность жизни ее клеток определяется временем их нахождения в ворсинке, т.е. всего двумя сутками. Иначе говоря, каждые двое суток животное сбрасывает в просвет кишки весь старый эпителий и замещает его новым. В результате регенерации эпителия кишки клеточные потери огромны, но непрерывно возмещаются благодаря интенсивной пролиферации клеток крипт. Непрерывно регенерирует также сперматогенная ткань семенников, связанная с продукцией огромного числа сперматозоидов.

Темп и характер физиологической регенерации определяются интенсивностью и условиями функционирования ткани, т.е. ее физиологическими особенностями (отсюда название «физиологическая регенерация»). Поскольку в ходе эволюции позвоночных происходила интенсификация функций тканей, и соответственно совершенствовалось физиологическое обеспечение этих функций, то изменялась и активность их физиологической регенерации. Поэтому интенсивность функционирования органов и тканей и их физиологической регенерации у теплокровных значительно выше, чем у холоднокровных животных. Например, темп обновления кишечного эпителия у рыб и амфибий неизмеримо ниже, чем у птиц и млекопитающих. Усиление механизмов физиологической регенерация, как молекулярно-субклеточной, так и пролиферативной, на фоне общей интенсификации метаболических процессов у высших (теплокровных) животных - одно из важных проявлений их прогрессивной эволюции.

2. Репаративная регенерация

Репаративной регенерацией называют восстановление части организма взамен поврежденной, искусственно удаленной, а в редких случаях - естественно отброшенной. Сюда же относятся случаи восстановления целого организма из его части, что наблюдается во время бесполого размножения, присущего простейшим, губкам, кишечнополостным, плоским и кольчатым червям, мшанкам и оболочникам.

Бесполое размножение - естественное (не связанное с удалением или внешней травмой какого-либо участка) образование новой особи на теле старой. В большинстве случаев возникшие путем бесполого размножения особи сохраняют морфологическую и физиологическую связь между собой, образуя колонии. Бесполое размножение сходно с регенерацией тем, что в некоторых случаях оно связано с распадом размножающегося организма (кишечнополостные, черви) на отдельные части, т.е. как бы с самокалечением этого организма.

Регенерационные процессы, которые осуществляются в ответ на травму, охватывают у разных организмов неодинаковые по объему участки тела и протекают несходно. На этих различиях основаны попытки классификации типов репаративной регенерации. Наиболее хорошо известна регенерация целого организма из его небольшого остатка, когда новообразующая часть формируется на раневой поверхности. Классический пример этого способа - регенерация конечности хвостатых амфибий. Восстановительные процессы локализованы в зоне раны и образуют так называемую регенерационную бластему, четко отграниченную от прочих, не вовлеченных в регенерацию областей. Такой тип регенерации носит название эпиморфоза (что иногда переводится как отрастание).

В других случаях (при разрезании на части низших животных - гидр, планарий) нанесенная травма вызывает перестройку всего тела животного. Хотя и здесь наблюдается отрастание, но оно обеспечивается не только элементами раневой зоны, но и мобилизацией элементов всего организма. Такой тип регенерации носит название реорганизации (морфаллаксиса). Иногда (например, в конечности насекомых) регенерация осуществляется путем комбинирования эпиморфоза с морфаллаксисом.

По своим масштабам и значимости регенерационные процессы неодинаковы; они могут носить локальный характер и не влиять существенно на жизнедеятельность особи, но могут охватить весь индивидуум.

Известны процессы особенно глубокой реорганизации, когда целая особь возникает как бы заново из небольшого участка взрослой особи. Так, целая асцидия может восстановиться из участка жаберной корзинки взрослой асцидии. Из скопления диссоциированных клеток могут возникать целые организмы губок, кишечнополостных. Даже из одной дифференцированной клетки взрослого организма (из одиночной соматической клетки) может образоваться целое растение.

Некоторые авторы предлагают отделить эти процессы от собственно регенерационных и обозначают их как процессы реституции (Г.Дриш) или «соматического эмбриогенеза» (Б.П.Токин и Г.П.Короткова). Б.П.Токин и Г.П.Короткова относят к соматическому эмбриогенезу те случаи, когда морфологическая ось особей возникает заново, а к регенерации - лишь те восстановительные процессы, при которых старая ось сохраняется.

Существует также тип реакции на повреждения, названный эндоморфозом (регенерационная гипертрофия) или диффузной регенерацией, наиболее типичный для теплокровных животных.

3. Клеточные источники регенерации

Важным вопросом, касающимся механизмов регенерационного процесса, является вопрос о происхождении клеток, из которых строится новообразующаяся часть тела. Регенерация происходит в уже сформированном организме, где процессы дифференцировки, а во многих тканях и процессы деления клеток ослаблены или прекращены. Каким образом, и из каких клеток в этих условиях возникают структуры регенерата? В литературе указывается на три источника клеток для регенерации.

1. Малодифференцированные клетки, сохранившиеся в ходе эмбриогенеза (стволовые, камбиальные). Имеется в виду, что регенерацию обеспечивают представители тех же популяций стволовых клеток, которые в ходе эмбриогенеза являются предшественниками клеток, формирующих ткани и органы. Предполагается, что небольшая часть стволовых клеток сохраняется в виде резерва во взрослом организме. Действительно, известны случаи регенерации с участием резервных клеток. Однако отчетливо такой способ регенерации продемонстрирован пока только у низших животных - кишечнополостных и червей.

Известно, что у кишечнополостных есть так называемые интерстициальные клетки, расположенные в обоих зародышевых листках поблизости от базальной мембраны. Это резервные камбиальные элементы, которые при регенерации скапливаются вблизи раневой поверхности. Из них могут возникать все остальные типы клеток (например, у гидры - эпителиально-мышечные, нервные, железистые, стрекательные и др.). У плоских червей источником регенерационного материала служат необласты.

Другие случаи участия в регенерации резервных малодифференцированных клеток менее достоверны. В скелетной мускулатуре обнаружены так называемые сателлитные клетки, которые, как предполагают, служат источниками клеток при регенерации.

2. Дедифференцировка и редифференцировка клеток дефинитивных тканей. Один из путей образования новых дифференцированных клеток - это дедифференцировка и последующая редифференцировка. Этот способ хорошо продемонстрирован на примере регенерации конечности хвостатых амфибий и во многих других случаях.

Как уже отмечалось, регенерация конечности идет по типу эпиморфоза. На раневой поверхности образуется конусовидное скопление недифференцированных клеток - бластема, в которой заново дифференцируются скелетные элементы, мышцы, кровеносные сосуды и соединительная ткань. Вопросу об источниках регенерационного материала при восстановлении конечности было посвящено много работ, но до сих пор эта проблема окончательно не решена. Несомненно, в регенерационной бластеме происходит дедифференцировка множества клеток, которые затем участвуют в формировании новых тканей. Весьма вероятно, что дедифференцировка идет не до конца, и каждый тип клеток в ходе редифференциации воспроизводит только самого себя.

3. Трансдифференцировка и метаплазия при регенерации. Еще один путь обеспечения регенерационного процесса - превращение одного типа дифференцированных клеток в другие (трансдифференцировка). Крайний случай трансдифференцировки - метаплазия - состоит в превращении производных одного зародышевого листка в производные другого листка. Такие процессы описаны у ряда беспозвоночных животных - кольчатых червей, немертин, кишечнополостных, а также у асцидий. Так немертина Lineus может полностью восстановиться из переднего участка тела, лишенного энтодермы. При этом клетки кишечника образуются из мезенхимных элементов. Чрезвычайно сильная метаплазия наблюдается при регенерации и бесполом размножении таких сравнительно высокоорганизованных животных, как асцидии. Уже говорилось, что целая асцидия может восстановиться из участка жаберной корзинки - органа эктодермального происхождения. При бесполом размножении асцидий все органы тела могут заново возникать из так называемого эпикарда - выроста кишечника, или из клеток мезенхимного типа.

К метаплазии можно отнести и глубокую трансдифференцировку клеток края колокола медуз, описанную швейцарским биологом Ф.Шмидом. Он установил, что из изолированной поперечнополосатой мускулатуры может возникать гладкая мускулатура, стрекательные, пищеварительные и интерстициальные клетки, а при наличии контактов с энтодермой - и нервные клетки.

Трансдифференцировки, не выходящие за пределы одного зародышевого листка, довольно широко распространены среди позвоночных животных. Классический пример такой трансдифференцировки - восстановление удаленного хрусталика из верхнего края радужной оболочки глаза у взрослого тритона. Этот процесс, получивший название вольфовской регенерации (по имени немецкого анатома Г.Вольфа, описавшего его в 1895 г), в последующем был детально исследован. Было установлено, что вольфовская регенерация начинается с глубокой дедифференцировки клеток края радужки, выбрасывания из них пигментных гранул, повышения содержания РНК и пробуждения способности к митотическим делениям и перемещениям. После того как эти клетки образуют морфологически различимый зачаток хрусталика, в них в нормальной последовательности синтезируются типичные для хрусталика белки - кристаллины, т.е. происходит истинная трансдифференцировка на молекулярном и клеточном уровнях.

У хвостатых амфибий и осетровых рыб удаленная сетчатка может регенерировать из клеток пигментного эпителия и цилиарного зачатка. При этом также происходит глубокая перестройка клеток, пробуждение в них митотических делений, а затем и синтеза белков, специфичных для сетчатки.

У крыс превращение пигментного эпителия в сетчатку возможно только в ранний эмбриональный период. Эта способность исчезает между 16 сутками беременности и рождением. Интересно отметить, что способность эмбрионального пигментного эпителия к дифференцировке в сетчатку является причиной тяжелой эмбриональной аномалии строения глаза - колобомы, возникающей при задержке срастания краев глазной щели в ходе замыкания глазного бокала.

Явления трансдифференцировки отмечены и в ходе регенерации конечности тритона и аксолотля (превращение соединительнотканных клеток в мышечные и мышечных - в хрящевые). Эти данные получены в опытах по пересадке в регенерирующую конечность клеток хряща или мышц, взятых от триплоидных или меченых радиоактивным тимидином животных. Триплоидные или меченые тимидином ядра в обоих случаях были обнаружены и в хряще, и в мышцах регенерата. Эти и подобные им опыты указывают на возможность метаплазии в бластеме регенерирующей конечности.

Большое внимание исследователи уделяют процессам регенерации у высокоорганизованных животных, главным образом млекопитающих. У млекопитающих нет способности не только к регенерации целого организма из его частей, но и к регенерации сложных органов - конечностей, глаз и т.д. Предполагается, что у высокоорганизованных животных регенерационная способность как механизм пассивного способа адаптации снизилась. Но зато выработались и усилились активные способы приспособления, связанные с функцией органов движения, ориентации и с высшей нервной деятельностью. Однако имеются и противники представления о снижении значения регенерационных явлений у высших животных.

Реакция органов и тканей млекопитающих (в том числе и человека) на повреждения сложна и еще далеко не изучена. Это обстоятельство, а также большая прикладная значимость этой проблемы для медицины (травматологии, ортопедии, трансплантологии и т.д.) стимулировали широкие исследования способности к регенерации у млекопитающих и человека. Еще в 20-е годы в нашей стране А.В.Румянцевым были начаты работы по изучению восстановительных способностей клеток и тканей in vivo и in vitro, которые легли в основу современных представлений о механизмах регенерации. В настоящее время установлено, что с помощью различных факторов можно оказывать стимулирующее действие на восстановительные процессы. В этом плане достигнуты значительные успехи в стимуляции регенерации мышечной и печеночной ткани, костей черепа и некоторых других тканей и органов. Ведутся исследования по стимуляции регенерационных способностей сердечной мышцы.

ЛЕКЦИЯ 13

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ ЧЕЛОВЕКА

ПЛАН

1. Понятие и основные показатели биологического возраста человека

2. Возрастная изменчивость у взрослых

3. Старость - завершающий этап онтогенеза

биология индивидуальное развитие возраст

1. Понятие и основные показатели биологического возраста человека

Биологический возраст называют также возрастом развития: он отражает рост, развитие, созревание, старение организма.

Определяется биологический возраст совокупностью обменных, структурных, функциональных, регуляторных особенностей и приспособительных возможностей организма. Несомненно, биологический возраст является функцией времени, но при этом временные интервалы, в течение которых происходят возрастные сдвиги в организме, гораздо менее четки, чем для хронологического возраста человека, который называют также календарным, или паспортным.

Рассмотрим основные антропологические показатели биологического возраста, ориентируясь на последовательность этапов человеческой жизни от рождения до глубокой старости. Для этого сначала ознакомимся со схемой возрастной периодизации онтогенеза (т.е. индивидуального развития) человека.

В этой периодизации учтены закономерности формирования организма и личности и относительно устойчивые морфофизиологические особенности человека. Кроме того, учтены и социальные факторы, связанные, например, с обучением детей или уходом на пенсию лиц пожилого возраста.

Для каждой стадии возрастной классификации характерен определенный средний уровень морфофизиологического развития организма.

Новорожденность - самый короткий период жизни согласно всем возрастным классификациям (от первого вдоха до 10 дней или по другим классификациям - до 3-4 недель). В наши дни период новорожденности ограничивают временем вскармливания ребенка молозивом. Критериями биологического возраста в этом периоде считают продолжительность утробного развития и основные размеры тела, а также ряд других показателей.

Схема возрастной периодизации онтогенеза человека

1. Новорожденные 1 - 10 дней 2. Грудной возраст 10 дней - 1 год 3. Раннее детство 1 - 3 года 4. Первое детство 4 - 7 лет 5. Второе детство 8 - 12 лет (мальчики) 8 - 11 лет (девочки) 6. Подростковый возраст 13 - 16 лет (мальчики) 12 - 15 лет (девочки) 7. Юношеский возраст 17 - 21 год (юноши) 16 - 20 лет (девушки) 8. Зрелый возраст; I период 22 - 35 лет (мужчины) 21 - 35 лет (женщины) II период 36 - 60 лет (мужчины) 36 - 55 лет (женщины) 9. Пожилой возраст 61 - 74 года (мужчины) 56 - 74 года (женщины) 10. Старческий возраст 75 - 90 лет (мужчины и женщины) 11. Долгожители 90 лет и выше

Новорожденных разделяют на доношенных (внутриутробное развитие длится 39-40 недель) и недоношенных (28-38 недель). Но учитываются не только эти сроки, но и особенности внутриутробного развития, а также совокупность морфологических и функциональных признаков ребенка, зрелость его органов. Наиболее простой критерий - масса тела при рождении. В целом доношенными считают новорожденных с массой тела 2,5кг и выше (при длине тела не менее 45 см), а недоношенными - живорожденных, имеющих массу тела меньше 2,5кг.

На размеры тела новорожденных влияют многие факторы, включая порядковый номер беременности и родов, возраст и размеры тела родителей, здоровье, условия труда и быта беременных, их питание, употребление алкоголя, наркотиков и курение матерей.

Размеры тела новорожденных, как и детей других возрастов, в последнее время увеличились в связи с процессом акселерации. Теперь каждый шестой ребенок рождается с массой тела более 4 кг. Это в значительной степени связано с избыточным питанием матерей.

Грудной возраст - это период постепенной адаптации ребенка к внешней среде и одновременно наибольшей интенсивности ростового процесса по сравнению со всеми последующими этапами внеутробной жизни. Так, длина тела увеличивается почти в 1,5 раза, а масса тела - в 3. В это время интенсивно проходит не только ростовой процесс, но и развитие организма, совершенствование его органов и систем. В среднем с 6 месяцев начинают прорезываться молочные зубы. Показателем биологического возраста в этот период является и психомоторное развитие ребенка.

Раннее детство - один из показателей биологического возраста этого периода - зубная зрелость. Обычно учитывают количество прорезавшихся зубов и сроки их появления (первые коренные зубы - в 12-15 мес., клыки - в 16-20 мес., вторые коренные зубы - в 20-24 мес.). Хотя могут быть значительные отступления в обе стороны от приведенных сроков. Обычно уже к 2 годам дети имеют все 20 молочных зубов.

Первое детство - важный период, т.к. связан с началом обучения в школе. Биологический возраст в этот период оценивают по нескольким показателям. Учитывают соматический, зубной, костный возраст.

Одной из отличительных особенностей первого детства считают первый ростовой скачок - небольшое увеличение скорости роста. Другой характерной особенностью первого детства является начало смены молочных зубов на постоянные. В случае необходимости определяют костный возраст (скелетную зрелость), используя рентгенологический метод (анализируют рентгенограмму кисти и локтевого сустава).

Возрастной период от 1 года до 7 лет называют нейтральным детством, ибо девочки и мальчики этого возраста почти не отличаются друг от друга по размерам и форме тела.

Второе детство - характеризуется усиленным ростом в длину, но его темпы выше у девочек, так как процесс роста тесно связан с половым созреванием, которое начинается у женского пола на 2 года раньше, чем у мужского. У обоих полов появляются вторичные половые признаки, по развитию которых девочки превосходят мальчиков. Вторичные половые признаки - ценный критерий биологического возраста в этот период развития.

Подростковый возраст - период интенсивного полового созревания, фазы которого не совпадают у мужского и женского пола. Для этого периода характерен так называемый пубертатный ростовой скачок размеров тела. Мальчики уже превосходят девочек по длине тела и в дальнейшем эта разница увеличивается. К концу этого периода рост почти прекращается. Подростки разного пола в этом периоде различаются и по форме тела.

Юношеский период - завершающий для растущего организма. В этом возрасте заканчиваются процессы роста и формирования организма. Размеры тела достигают окончательной величины. Поэтому наиболее удобный критерий, тесно связанный с формированием всего организма в этот период - вторичные половые признаки.

Половое созревание (пубертатный период) - тот период индивидуального развития, когда происходит радикальная биохимическая, физиологическая, морфологическая и нервно-психическая перестройка организма. Этот период также называют переходным возрастом. Его рассматривают как возрастной кризис. Организм подростка в большинстве случаев развивается интенсивно, разные органы и системы созревают неравномерно. Так, рост сердца отстает от бурного увеличения массы тела, а нарастание объема сердца происходит интенсивнее, чем просвета сосудов. А ведь в организме в это время усиливаются все виды обмена веществ. Из-за такого несоответствия может возникнуть аритмия, гипертрофия миокарда, гипертония, могут проявиться и первые вспышки психических заболеваний (шизофрении и др.).

2. Возрастная изменчивость у взрослых

Как правило, биологический возраст оценивают по уровням развития и состоянию ведущих систем, т.е. лидирующих в темпе возрастной изменчивости и старения - сердечно-сосудистой, нервной, иммунной.

Какая же ткань начинает стареть первой?

Первый, самый ранний и самый важный признак и причина старения заключается в уменьшении количества живых нейронов мозга, которое начинается уже с 15-16 лет, а в коре мозга - с 30 лет. Поэтому устойчивость организма к различным вредным влияниям постепенно уменьшается, понижается порог чувствительности к разным «неполадкам», растет вероятность возникновения необратимых процессов и явлений. Уже с 27-29-летнего возраста снижается общий уровень обменных процессов, a к 100 годам обменные показатели достигают всего 50% их уровня в 30 лет.

Таким образом, максимум интенсивности для большинства функций нашего организма приходится обычно на возраст 20-25 лет. После этого начинается постепенное снижение интенсивности с нарастанием его темпа. Можно сказать, что, едва достигнув зрелости, наш организм начинает медленно склоняться к старости.

Сразу же после окончания роста и развития начинаются изменения в иммунной системе, в способности организма противостоять заболеваниям. Достоверно известно, что с возрастом происходит постепенное нарушение всех иммунных функций; снижаются точность и скорость иммунного ответа, ослабевает активность антигенов, нарушаются межклеточные взаимодействия.

Значительные изменения происходят и в эндокринной системе: уменьшается концентрация в крови гормонов половых желез, снижаются функции щитовидной железы, тимуса, надпочечников. Все эти первичные изменения ведут к видимым, вторичным: атрофии покровов, вялости, дряблости, морщинистости кожи, поседению и выпадению волос, сокращению объема и тонуса мускулатуры, ограничению подвижности в суставах. Ограничение объема движений начинается обычно уже с 40 лет, но особенно сильно оно происходит после 70 лет. Эти внешние проявления старения прямо не связаны с повышением риска смерти, но они свидетельствуют о возрастных изменениях в костной, хрящевой, жировой, соединительной тканях, в сосудах.

Энергетическое старение начинается в возрасте около 30 лет, а еще точнее сразу же после окончания периода роста и развития. В 20-25 лет, когда организм полностью стал взрослым, наблюдается идеальный или должный для данного человека вес тела. Уже к 30 годам он обычно становится больше примерно на 3-4 кг. А известно, что все, что выше «надлежащего», - это избыточный вес.

Почти все горожане в возрасте старше 40 лет имеют избыточный вес. Это связано с изменением условий труда и быта, возрастанием степени гиподинамии, перееданием и другими факторами. Если реальный вес тела составляет по отношению к надлежащему, т.е. весу в 20-25 лет, более 120%, то начинается ожирение. Накопившийся жир в организме после 45-48 лет становится инертным по отношению к обменным процессам. Стойкое превышение надлежащего веса есть движение по пути увеличения биологического возраста и накопления возрастной патологии.

Жировые отложения вначале возникают в подкожной жировой клетчатке, затем откладываются в области брыжейки, жировая муфта покрывает сердце, желудок и мешает их работе. Кроме того, жировые запасы содержат яды и шлаки. Поэтому ожирение является фактором повышенного риска смерти. Заболевания сердечно-сосудистой системы у тучных людей встречаются в 1,5 раза чаще, диабетом - в 4 раза, циррозом печени - в 1,5 раза чаще, чем у лиц того же возраста, но с нормальным весом тела.

Возрастные изменения в нервной системе и психике. Динамика основных нервных процессов в связи с возрастом заключается в ослаблении процессов торможения, потере подвижности - лабильности реакции, в повышении порога возбудимости, снижении слуха, зрения. Однако только к 70 годам начинает отмечаться недостаточная концентрация нервных процессов, во многих случаях ведущая к неуравновешенности личности. Не так сильно и неизбежно, как принято считать, изменяются с возрастом психические функции, психическая деятельность. Действительно, такие показатели психики, как память, воля, эмоции, скорость психической реакции, значительно снижаются с возрастом. Однако эти дефекты компенсируются большим психическим опытом личности. Как правило, интеллектуальная деятельность с увеличением возраста не ослабевает. У женщин все возрастные процессы в психической сфере идут более активно, чем у мужчин.

Биологический возраст в психической сфере оценивается по сохранению интереса к внешним событиям, стремлению к активной деятельности, сохранению широких социальных контактов. Это показатели молодости биологического возраста в психике.

Таким образом, оценивать биологический возраст можно на разных уровнях исследования - молекулярном, обменном, на уровне всего организма, личности в целом.

3. Старость - завершающий этап онтогенеза

В старости, так же как и в зрелости, степень возрастных изменений часто не соответствует паспортному возрасту, а темп этих изменений различен. Поэтому проблема биологического возраста в старческий период не исчезает, а приобретает свойственные ей дополнительные оттенки, в том числе медицинские и геронтологические. Теории старения стали создаваться еще в XIX в., однако общей теории онтогенеза, объясняющей старение, до сих пор не существует.

Что же является причиной, механизмом старения? Имеются научные данные о том, что оптимальная продолжительность жизни генетически обусловлена и контролируется специфическим генным комплексом. Открыты особые так называемые временные гены, которые стимулируют появление признаков на различных этапах онтогенеза и тем самым определяют темп процессов жизнедеятельности.

Таким образом, создается определенный ритм включения генорегуляторных механизмов, обусловливающих особенности поздних стадий онтогенеза. Чем медленнее и более плавно работает этот механизм, тем вероятнее достижение большей продолжительности жизни. Согласно этой точке зрения проблема биологического возраста в старости (как и на других этапах онтогенеза) связана с временными соотношениями генов и признаков.

Индивидуальные темпы старения, как и всей возрастной изменчивости, весьма разнообразны. Разнообразен в старости и биологический возраст индивидуумов. Темп старения во многом зависит от среды, поэтому одни стареют быстро, другие - медленно. В значительной степени в ускоренном темпе старения виноват прежде всего наш образ жизни. Это в первую очередь ограничения подвижности при отсутствии ограничения в пище, частые отрицательные эмоции, гигиена труда, умственной работы, отдыха, степень социальных контактов.

Известно, что болезни старости концентрируются главным образом в органах, составляющих главную «экономику» организма: в сердце, легких, мозге. Boт их и нужно тренировать особо.

Обычно при оценке биологического возраста в старости принимают во внимание степень развития сутулости, морщинистости кожи, дряблости мускулатуры, состояние сердечно-сосудистой системы, снижение возможности к запоминанию и другие критерии.

Проявлением изменчивости индивидуальной продолжительности жизни является долгожительство. Максимальная, или потенциально возможная продолжительность жизни представителей разных видов животных и растений различна: от нескольких сотен лет (у секвойи и дуба) до нескольких часов (у насекомых - поденок). Все это связано с принципиально различными механизмами онтогенеза. И среди млекопитающих наблюдается большое разнообразие видовой продолжительности жизни: от 70-80 лет у слона до 1-2 лет у мыши.

Видовой потенциальный предел продолжительности жизни человека генетически запрограммирован как фундаментальное биологическое качество вида и составляет около 95-100 лет. Индивидуальная продолжительность жизни человека может, как известно, колебаться от возраста новорожденности (всего несколько дней) до 100 лет и старше. Массовый выход за пределы этого рубежа всегда был и теперь остается довольно редким событием.

Долгожительство - сложный феномен, обусловленный целым комплексом различных факторов. Существует много различных гипотез, объясняющих это интересное явление у человека.

ЛЕКЦИЯ 14 - 15

ОСНОВЫ ГЕРОНТОЛОГИИ

ПЛАН

1. Понятия старости и старения

2. Внешние признаки старения

3. Старение органов движения

4. Старение основных функциональных систем организма

5. Преждевременное старение

6. Долголетие - модель естественного старения

7. Основные причины и факторы долголетия

...