Основы биологии

В процессе создания организмов с новой генетической программой можно выделить три основных этапа:

Синтез искусственного гена или выделение необходимого гена из клетки донора.

Сшивание полученного гена с направляющей (векторной) молекулой ДНК.

Введение полученной рекомбинантной молекулы ДНК в клетку-реципиент.

1 этап

Синтез искусственных генов вне организма возможен двумя способами: химическим и ферментативным.

Химический синтез - создание гена с известной нуклеотидной последовательностью. Впервые искусственный ген был синтезирован в 1970 г. индийским ученым Г. Кораной. Это был ген аланиновой т-РНК. Он состоял из 72 нуклеотидов и включал только структурную часть. Регуляторная часть гена отсутствовала, поэтому ген был функционально не активным. В 1976 г. Корана осуществил химический синтез другого гена - гена тирозиновой т-РНК кишечной палочки, который включал промотор и терминатор, т.е. регуляторные части.

Ферментативный синтез искусственных генов - это синтез ДНК на матрице и-РНК в процессе обратной транскрипции. Ферментативный синтез искусственных генов стал возможным после открытия в 1970 г. ферментов обратной транскрипции - обратных транскриптаз. ДНК, полученная в процессе обратной транскрипции, называется ДНК-копией. Полученные путем ферментативного синтеза гены не имеют регуляторных участков, поэтому для обеспечения работы этих генов необходимо присоединять промотор, взятый из генома бактериальной клетки. Таким образом были получены гены, отвечающие за синтез некоторых гормонов: инсулина, соматотропина, глобиновые гены.

2 этап

Состоит в сшивании полученного гена с направляющей, или векторной, молекулой ДНК. В качестве направляющих молекул могут использоваться:

а) бактериальные плазмиды, т.е. кольцевые молекулы ДНК, присутствующие в бактериальной клетке;

б) фаги (фаг лямбда);

в) вирусы (вирус SV 40).

Плазмидную ДНК выделяют и расщепляют ферментом рестриктазой, превращая кольцевую молекулу в линейную. Причем после разрезания одна из цепей оказывается длиннее другой на несколько нуклеотидов, т.е. формируются так называемые «липкие концы». Эти нуклеотиды могут свободно спариваться с комплементарными нуклеотидами другого фрагмента ДНК с липкими концами. Благодаря этому ДНК из различных источников могут объединяться, образуя рекомбинантные молекулы. Рекомбинантную конструкцию вводят затем в бактерию, где она реплицируется.

3 этап

Состоит в проникновении гибридной молекулы ДНК в клетку-реципиент и встраивании в ее геном. Способ введения в клетку гибридных молекул зависит от вектора. Если в качестве вектора используется плазмида, то введение происходит по типу трансформации; если в качестве вектора используется фаг или вирус - по типу трансдукции.

Достижения генной инженерии могут быть использованы по следующим направлениям.

1. Введение генов эукариот в бактерии и создание таких микроорганизмов, которые могут в промышленном масштабе синтезировать биологически активные вещества: антибиотики, витамины, гормоны. Например, были синтезированы гены, отвечающие за синтез инсулина, введены в геном кишечной палочки, которая стала продуцировать инсулин. Сегодня возможно получение таким образом соматостатина, СТГ, брадикинина и других биологически активных веществ.

2. Генотерапия - получение лечебного эффекта с помощью введения в организм чужеродных генов. Клинические испытания по доставке функционально активных молекул ДНК в клетки человека были начаты в 1990 г. и касались таких заболеваний, как гемофилия, серповидно-клеточная анемия, различные ферментопатии. В настоящее время допускается лечение не только моногенных заболеваний, но и мультифакториальных (диабет, атеросклероз, онкологические и психические заболевания).

В зависимости от способа введения экзогенной ДНК в геном пациента генная терапия может проводиться либо в культуре клеток (ex vivo), либо непосредственно в организме (in vivo).

Клеточная генная терапия ex vivo предполагает:

выделение и культивирование специфических типов клеток (например, опухолевых);

введение в них чужеродных генов;

отбор клеток с рекомбинантными молекулами ДНК;

трансплантацию этих клеток тому же пациенту.

Генная терапия in vivo основана на прямом введении клонированных и упакованных последовательностей ДНК в ткани больного.

11. Онтогенез. эмбриональный период

Онтогенез - это полный цикл индивидуального развития каждой особи, начиная с момента образования гамет, давших ей начало, и заканчивая ее смертью.

Онтогенез можно также рассматривать как процесс развертывания наследственной информации, полученной от родителей, который происходит в определенных условиях окружающей среды.

Онтогенез подразделяют на три периода:

Предэмбриональный (прогенез).

Эмбриональный.

Постэмбриональный.

Предэмбриональный период соответствует гаметогенезу - процессу образования половых клеток.

Эмбриональный период

Эмбриональный период начинается с образования зиготы и заканчивается выходом развивающегося организма из яйцевых или зародышевых оболочек или рождением. По отношению к млекопитающим и человеку этот период называют антенатальным. Развивающийся организм в эмбриональный период питается за счет питательных веществ, накопленных яйцеклеткой, или за счет материнского организма.

Эмбриональный период принято делить на следующие стадии:

Зигота.

Дробление.

Гаструляция.

Гисто- и органогенез.

1. Зигота - одноклеточная стадия развития зародыша. Образуется в результате слияния отцовской и материнской гамет. Имеет диплоидный набор хромосом, анимальный и вегетативный полюса, билатеральную симметрию. На этой стадии наблюдается активация обмена веществ с использованием энергии жиров и углеводов. Происходит дифференцировка цитоплазмы на участки, которые определяют развитие бластомеров в нужном направлении при формировании зародышевых листков и зачатков тканей и органов (цитоплазматическая сегрегация).

2. Дробление - ряд последовательных делений зиготы, заканчивающихся образованием многоклеточного однослойного зародыша - бластулы. Клетки, образующиеся в ходе делений, называются бластомеры. В основе деления бластомеров лежит митоз, однако в период интерфазы они не растут, поэтому размеры зародыша на стадии дробления соответствуют размерам зиготы.

У различных видов животных дробление происходит по-разному. Характер дробления зависит от количества желтка и его распределения в цитоплазме яйцеклетки.

Классификация яйцеклеток

А. По количеству желтка яйцеклетки подразделяются на:

Алецитальные (млекопитающие, в том числе и человек) - практически лишены желтка.

Олиголецитальные (ланцетник) - содержат небольшое количество желтка.

Мезолецитальные (амфибии и некоторые рыбы) - содержат среднее количество желтка.

Полилецитальные (пресмыкающиеся и птицы) - содержат много желтка.

Б. По распределению желтка различают яйцеклетки:

Изолецитальные (ланцетник, черви) - содержат небольшое количество равномерно распределенного желтка.

Умеренно телолецитальные (амфибии) - содержат среднее количество желтка, который сосредоточен на одном полюсе клетки; на другом полюсе располагается ядро.

Резко телолецитальные (птицы) - содержат много желтка, занимающего почти весь объем цитоплазмы.

Центролецитальные (насекомые) - содержат много желтка, который окружает ядро толстым слоем.

Рис. 8 Типы дробления и типы бластул

Слой клеток, образующих стенку бластулы, называется бластодерма. Внутри бластулы имеется полость - бластоцель. У ланцетника бластула содержит 128 бластомеров.

3. Гаструляция - процесс преобразования однослойного зародыша (бластулы) в многослойный (двух- или трехслойный) - гаструлу.

Гаструляция подразделяется на два этапа:

Образование двухслойного зародыша.

Образование трехслойного зародыша.

1 этап. Преобразование однослойного зародыша в двухслойный в

природе может осуществляться четырьмя способами:

инвагинация - впячивание клеток вегетативного полюса в бластоцель (ланцетник);

эпиболия - обрастание: клетки одного из полюсов делятся быстрее, поэтому они обрастают бластулу с поверхности (птицы);

иммиграция - выселение клеток бластодермы в бластоцель и их размножение (кишечнополостные);

деляминация - расслоение: клетки бластодермы синхронно делятся, образуя два слоя (насекомые).

2 этап - образование трехслойного зародыша. Формирующиеся при гаструляции слои клеток называются зародышевыми листками. Наружный слой клеток - эктодерма, внутренний - энтодерма. Между ними располагается мезодерма. Полость гаструлы называется гастроцель. Вход в полость - первичный рот (бластопор).

Существует два способа образования мезодермы: телобластический и энтероцельный.

Телобластический - в области губ бластопора образуются крупные клетки - телобласты. Они делятся, и между эктодермой и энтодермой образуется третий зародышевый листок - мезодерма. Такой способ характерен для беспозвоночных.

Энтероцельный - по бокам от первичной кишки образуются выпячивания - карманы. Затем эти выпячивания отделяются от первичной кишки и разрастаются между эктодермой и энтодермой, образуя мезодерму. Такой способ характерен для хордовых.

4. Гисто - и органогенез - формирование из зародышевых листков тканей и органов:

из эктодермы образуются: эпидермис кожи и его производные, нервная система, рецепторы органов чувств;

из энтодермы - хорда, эпителий средней кишки, органов дыхания, пищеварительные железы,мочеполовая система.

из мезодермы - скелет, мышцы, дерма кожи, кровеносная система, выделительная система, надпочечники и половые железы.

Провизорные органы

Жизнедеятельность зародыша в эмбриональный период обеспечивается провизорными органами.

У водных животных провизорным органом является желточный мешок, выполняющий кроветворную и питательную функции.

У наземных животных:

желточный мешок (кроветворная и питательная функции);

амнион с амниотической жидкостью (функция защиты и газообмена);

аллантоис (первичный мочевой пузырь);

серозная оболочка (функция защиты и газообмена).

У млекопитающих провизорными органами являются: пупочный канатик, плацента, ворсинчатый хорион.

Гетерохронность закладки органов и тканей

В эмбриогенезе зачатки различных органов и тканей закладываются неодновременно. Существует следующая закономерность: раньше закладываются зачатки тех органов, которые раньше начинают функционировать.

Примеры. У хордовых головной конец тела раньше закладывается, чем хвостовой; спинной мозг раньше головного. У человека: верхние конечности закладываются раньше, чем нижние.

Механизмы регуляции эмбриогенеза

Регуляция эмбриогенеза осуществляется на всех уровнях биологической организации организма: надклеточном, клеточном и молекулярно-генетическом.

Надклеточный уровень. Большое значение в управлении ходом эмбриогенеза придается организационным центрам (организаторам). Впервые их роль была установлена в 1924 году немецким ученым Г. Шпеманом.

Он проводил свои опыты на зародышах тритона. В норме у зародыша тритона из эктодермы на спинной стороне формируется нервная трубка. Однако если на стадии ранней гаструлы удалить верхнюю губу бластопора, то нервная трубка не сформируется. Если верхнюю губу бластопора пересадить под эктодерму брюшной стороны, то нервная трубка сформируется на брюшной стороне. Если добавить зародышу еще одну губу, то сформируется две нервные трубки.

Из проведенных опытов следует, что верхняя губа бластопора направляет развитие эктодермы по пути формирования нервной трубки. Участок верхней губы бластопора Шпеман назвал организационным центром, или индуктором, а само явление получило название - эмбриональная индукция. Ткань, отвечающая на действие индуктора, - компетентная ткань. В последующем были установлены многочисленные примеры взаимовлияния зачатков в ходе эмбриогенеза. Причем деление зачатков на индукторы и компетентную ткань является относительным. Так, при закладке глаза вырост мозгового пузыря вызывает развитие из эктодермы зачатка хрусталика, а зачаток хрусталика - развитие зачатка роговицы.

Исходя из учения Шпемана, ход эмбриогенеза можно представить как цепочку, состоящую из пар: индуктор компетентная ткань (индуктор) компетентная ткань и т.д.

Клеточный уровень. В эмбриогенезе наблюдается пять типов клеточных реакций:

Пролиферация.

Клеточные перемещения.

Гибель клеток.

Избирательная сортировка.

Дифференцировка.

Пролиферация - размножение клеток митозом. Имеет место при формировании любого органа.

Клеточные перемещения - миграция отдельных клеток развивающегося организма. Например, перемещение нервных клеток ганглиозной пластинки к местам закладки рецепторного аппарата органов чувств.

Гибель клеток - запрограммированный процесс на завершающем этапе формообразования органа. Например, гибель клеток в межпальцевых промежутках кисти человека. Если она не произойдет, то ребенок родится со сросшимися пальцами (синдактилия).

Избирательная сортировка - выделение из смеси однотипных клеток и образование между ними прочных контактов.

Дифференцировка клеток - процесс образования специализированных типов клеток. Можно выделить три этапа на пути дифференцировки клеток:

тотипотентность (равнонаследственность) - путь развития клетки еще не определен. Это стадия зиготы и начало ее дробления (2-8 бластомеров). У гидромедузы клетки тотипотентны до стадии 32 бластомеров;

трансдетерминация - переопределение намеченного пути дифференцировки. Клетка теряет тотипотентность, но способна изменить направление намеченного пути развития (опыты Шпемана);

детерминация - клетка имеет строго определенный путь своего развития.

Таким образом, в ходе эмбриогенеза число возможных путей развития каждой клетки уменьшается в конечном счете до одного.

Молекулярно-генетический уровень. Ранние этапы эмбриогенеза (дробление) управляются веществами (РНК, белки), накопленными яйцеклеткой в ходе оогенеза. Они находятся в цитоплазме. Доказательством этого служат опыты английского ученого Д. Гердона, проведенные им в 1962-1972 гг. Он брал яйцеклетку лягушки, удалял из нее ядро и помещал туда ядро специализированной клетки эпителия кишечника. В последующем из такой клетки развивалась нормальная лягушка. Этим опытом было доказано:

все специализированные клетки имеют полный набор генов;

ранние стадии эмбриогенеза управляются не ядром, а цитоплазмой.

Для объяснения механизмов регуляции эмбриогенеза на молекулярно-генетическом уровне была предложена гипотеза дифференциальной активности генов: в ходе эмбриогенеза наблюдается последовательная смена активности генов, т.е. гены функционируют поочередно. Включение и выключение генов происходит за счет продуктов деятельности самих генов, т.е. путем саморегуляции.

Экспрессия отдельных генов регулируется на уровне транскрипции негистоновыми белками и гормонами. Различают пептидные гормоны (инсулин) и стероидные (эстрогены и андрогены). Молекулы пептидных гормонов из-за крупных размеров не могут проникнуть в клетку, и поэтому их эффект осуществляется через белки-рецепторы, локализованные в мембранах клеток-мишеней. Стероидные гормоны проникают через мембрану и связываются там с рецепторными белками, образуя комплекс: гормон+белок-рецептор. Затем этот комплекс связывается с негистоновыми белками, которые соединены с промоторными районами специфических генов. При этом промотор освобождается для действия РНК-полимеразы и начинается процесс транскрипции.

Доказательства справедливости гипотезы дифференциальной активности генов:

в ходе эмбриогенеза (онтогенеза) наблюдается смена локализации пуфов политенных хромосом у двукрылых насекомых. Пуфф - область интенсивного синтеза иРНК;

в онтогенезе человека имеет место смена нескольких видов гемоглобинов:

Процесс дифференцировки сопровождается уменьшением числа активных генов. Например, у морского ежа из 40 тысяч генов функционируют:

Таблица 7

Стадия	Гемоглобин
Эмбрион	Gover I Gover II Portland I
Плод	Гемоглобин F
Взрослый	Гемоглобин А Гемоглобин А2

на стадии бластулы - 30 тысяч;

на стадии гаструлы - 15-20 тысяч;

у взрослой особи - 3-5 тысяч генов.

Критические периоды эмбриогенеза

Развитие зародыша происходит под влиянием факторов внешней среды. Один и тот же фактор в различные периоды действует по-разному. Периоды повышенной чувствительности зародыша к повреждающим факторам внешней среды называются критическими периодами.

В основе критического периода может быть:

активная дифференцировка клеток;

переход от одной стадии к другой;

изменение условий существования.

В развитии любого органа существует свой критический период. В эмбриогенезе человека русский ученый П.Г. Светлов выделил три критических периода:

имплантации (6 - 7 сутки после оплодотворения);

плацентации (конец второй недели);

перинатальный (период родов).

Нарушение нормального хода эмбриогенеза ведет к развитию аномалий и уродств. Они встречаются у 1-2% людей.

Виды пороков: аплазия (отсутствие органа), гипоплазия (недоразвитие органа), гипертрофия (увеличение размеров органа), гипотрофия (уменьшение размеров органа), атрезия (отсутствие отверстия), стеноз (сужение протока). Одним из пороков являются сиамские близнецы (сросшиеся в различной степени). Впервые сиамские близнецы (два брата) были описаны в Юго-Восточной Азии. Они прожили 61 год, были женаты, имели 22 детей. В России жили две сросшиеся сестры Маша и Даша.

Причины уродств:

генетические;

экзогенные;

смешанные.

Экзогенные факторы называются тератогенными (от слова teratos - уродство). Тератогенные факторы по своей природе делятся на:

химические - различные химические вещества, хинин, алкоголь, антибиотик актиномицин Д, хлоридин, талидомид;

физические - рентгеновские лучи и другие виды ионизирующих излучений;

биологические - вирусы, простейшие (токсоплазма), токсины гельминтов.

12. Постэмбриональный период. Рост и развитие

Постэмбриональный период начинается с момента рождения (у млекопитающих) или с выхода из яйцевых или зародышевых оболочек и заканчивается смертью. Организм получает питательные вещества в этот период самостоятельно.

Постэмбриональное развитие подразделяют на четыре периода:

ювенильный (с момента рождения до половой зрелости);

зрелости (репродуктивный);

старости;

смерть (завершающий период онтогенеза).

Ювенильный период морфо-физиологически у различных видов животных протекает неодинаково и зависит от типа онтогенеза. Различают развитие прямое и непрямое (с метаморфозом).

При прямом развитии новорожденное существо сходно со взрослой формой, отличаясь лишь меньшими размерами и недоразвитием отдельных органов и систем. Примеры: млекопитающие, человек.

При непрямом развитии организм претерпевает изменения, превращения - метаморфоз. Метаморфоз бывает неполный и полный.

В случае неполного метаморфоза вышедший из яйцевых оболочек организм (личинка) отличается от взрослой особи, но не резко. В своем развитии каждая особь проходит следующие стадии: яйцо > личинка >имаго. Примеры животных с неполным метаморфозом: вши, клопы, тараканы, саранча, земноводные.

При полном метаморфозе вышедшая из яйца личинка резко отличается от зрелой особи. Каждая особь проходит следующие стадии: яйцо > личинка > куколка > имаго. На стадии куколки происходит два процесса: растворение личиночных органов (гистолиз) и формирование органов имаго (гистогенез). Примеры насекомых с полным метаморфозом: комары, мухи, блохи, бабочки, жуки.

Развитие с метаморфозом является иллюстрацией филогенетического закона Мюллера-Геккеля: онтогенез есть краткое повторение филогенеза. Только у одних видов это повторение происходит в эмбриональный период, а у других захватывает и постэмбриональный. Выбор типа онтогенеза обусловлен особенностями строения яйцеклетки и адаптационными способностями имаго.

Рост и развитие организма

Одной из наиболее характерных черт онтогенеза является увеличение размеров развивающегося организма, т.е. рост. В основе роста лежит увеличение числа клеток, их размеров и накопление межклеточного вещества. Понятие роста тесно связано с развитием организма, вот почему понятия «рост» и «развитие» употребляются вместе.

Классификация типов роста. Существует несколько классификаций типов роста. Прежде всего, выделяют рост:

ограниченный (определенный) - характерен для организмов, растущих до определенного возраста (мухи, птицы, млекопитающие);

неограниченный (неопределенный) - характерен для тех, кто растет всю жизнь (рыбы, рептилии, раки, моллюски).

Наряду с этой классификацией, различают рост:

изометрический - размеры органов увеличиваются с такой же скоростью, как и все тело (рыбы, насекомые);

аллометрический - органы растут с различной скоростью, и поэтому пропорции тела изменяются (человек, млекопитающие).

Типы роста клеток:

ауксентичный - увеличение размеров клеток (коловратки, круглые черви, личинки насекомых);

пролиферативный - увеличение числа клеток:

а) аккреционный - после каждого деления в новый митотический цикл вступает только одна из двух дочерних клеток;

б) мультипликативный - многократное деление всех клеток.

Процесс роста характеризуется рядом закономерностей, которые были сформулированы русским ученым И.И. Шмальгаузеном:

интенсивность роста наиболее высока в начале онтогенеза, а затем снижается, и в разные периоды она не одинакова;

в онтогенезе происходит чередование периодов роста и дифференцировки;

дифференцировка ведет к качественным изменениям клеток, обуславливающих уменьшение или полную потерю ими способности к размножению (например, нервные клетки).

Все эти закономерности присущи и человеку. Самый интенсивный рост наблюдается на 1-м году жизни - 23-25 см; на 2-м - 10-11 см; на 3-м - 8 см. В период с 4 до 7 лет годичный прирост составляет 5-7 см, с 7 до 10 лет - 4-5 см/год. С 11-12 лет у девочек и с 13-14 у мальчиков наблюдается увеличение скорости роста до 7-8 см/год. Это так называемый "пубертатный скачок", соответствующий периоду полового созревания.

Регуляция роста и развития

На процессы роста и развития оказывают влияние внешние и внутренние факторы. Внешние факторы: свет, питание, температура, вода, кислород, электромагнитное излучение, микроэлементы, сезонные явления и т.д. Они не могут изменить тип развития, но сказываются на скорости роста и развития.

Внутренние факторы: генотип, эндокринная и нервная системы (нейро-эндокринная регуляция).

Известно, что рост наследуется по типу полимерии.

Нейро-эндокринная регуляция роста и развития

Нервные клетки беспозвоночных и позвоночных животных вырабатывают нейросекрет (нейрогормоны), а эндокринные железы - гормоны. Деятельность эндокринных желез, имеющих отношение к росту и развитию (гипофиз, щитовидная, надпочечники и половые), регулируется нейрогормонами.

В качестве примера нейро-эндокринной регуляции роста и развития рассмотрим регуляцию линьки у насекомых.

Факторы внешней среды (пища, свет, температура) возбуждают нервные импульсы, под влиянием которых нейросекреторные клетки вырабатывают нейрогормоны. Нейрогормоны управляют деятельностью желез Corpоra allata и проторакальных. Corpоra allata вырабатывают ювенильный гормон, который ведет к сохранению личиночных органов и подавляет экспрессию генов, определяющих строение тела имаго. Проторакальные железы вырабатывают гормон линьки - экдизон, стимулирующий эпидермальные клетки к образованию новой кутикулы. Считают, что рост и развитие у членистоногих контролируется взаимодействием экдизона и ювенильного гормона.



Рис. 8 Схема регуляции линьки у насекомых

У земноводных превращение головастика в лягушку происходит под воздействием гормона щитовидной железы - тироксина. В эксперименте было показано, что при удалении щитовидной железы головастики в лягушку не превращаются. И наоборот, если головастикам добавлять в пищу вытяжку щитовидной железы, то они быстро превращаются в миниатюрных лягушек.

Половые железы вырабатывают половые гормоны (андрогены и эстрогены), под влиянием которых развиваются вторичные половые признаки. В опытах на петушках и курочках русский ученый М.М. Завадовский впервые установил роль половых желез. Так, у кастрированных петухов прекращается рост гребня, теряется половой инстинкт. Если курочкам пересадить семенники, то они приобретают вторичные половые признаки мужских особей.

Надпочечники вырабатывают гормоны, влияющие на обмен веществ, рост и дифференцировку клеток.

У млекопитающих, в том числе у человека, большая роль в регуляции роста принадлежит гипофизу и щитовидной железе.

Гипофиз состоит из трех долей - передней, средней и задней.

Передняя доля гипофиза вырабатывает следующие гормоны: АКТГ - адренокортикотропный гормон, ТТГ - тиреотропный гормон, ГТГ - гонадотропный гормон, СТГ - соматотропный гормон.

На процесс роста оказывает влияние соматотропный гормон, который управляет синтезом белка в клетке. При гипофункции передней доли гипофиза возникает заболевание нанизм (гипофизарная карликовость) - маленький рост (около 100 см) при сохранении пропорций тела, детские черты лица, недоразвитие вторичных половых признаков, бесплодие. Гиперфункция передней доли гипофиза ведет к гигантизму (рост более 200 см). Если этот гормон вырабатывается в период зрелости, то возникает заболевание - акромегалия (разрастание выступающих частей тела - носа, подбородка, скул, пальцев и т.д.).

Щитовидная железа вырабатывает гормон тироксин, который в клетке управляет энергетическим обменом. При гипофункции щитовидной железы развивается кретинизм (низкий рост, нарушенные пропорции тела, деформация костей, бесплодие, умственная отсталость). Это наследственное заболевание. При недостаточном поступлении йода с пищей может развиться фенокопия кретинизма. Гиперфункция щитовидной железы ведет к Базедовой болезни (зоб, пучеглазие, тахикардия).

В последние 100-150 лет наблюдается ускорение роста и развития человека - акселерация.

Причины акселерации:

улучшение питания населения;

увеличение радиоактивного фона и действия радиоволн;

напряженный темп городской жизни;

миграция населения и рост числа смешанных браков;

увеличение продолжительности светового дня.

13. Продолжительность жизни. Биологические аспекты старения

Продолжительность жизни у разных видов неодинакова и варьирует в диапазоне от нескольких минут (бактерии) до нескольких тысячелетий (дубы, баобабы). Ученых давно интересует вопрос: от чего зависит продолжительность жизни?

Французский ученый Жорж Бюффон обнаружил связь между продолжительностью жизни и периодом роста, а именно, продолжительность жизни в 5 - 8 раз превышает длительность периода роста.

Примеры:

собака растет 2 года - живет 10-15 лет;

корова растет 4 года - живет 20 лет;

верблюд растет 8 лет - живет 40 лет.

Однако коэффициент Бюффона справедлив не для всех видов животных.

Продолжительность жизни человека

Сколько должен жить человек? Разные ученые дают на этот вопрос неоднозначные ответы: от 70 до 200 лет. Если воспользоваться коэффициентом Бюффона, то продолжительность жизни человека должна быть в пределах от 100 до 160 лет.

Поскольку не существует критерия определения истинной продолжительности жизни человека, то ученые пользуются таким показателем, как средняя продолжительность жизни.

Факторы, влияющие на продолжительность жизни человека

Биологические:

генотип (68% долгожителей г. Киева имели родителей долгожителей; японские ученые обнаружили в хромосоме №1 ген старения; разность в средней продолжительности жизни у монозиготных близнецов меньше, чем у дизиготных);

тип высшей нервной деятельности (дольше живут люди, имеющие сильный тип высшей нервной деятельности);

половая принадлежность (особи женского пола живут дольше мужских; средняя продолжительность жизни в России в 1998 году составила: у женщин - 73 года, у мужчин - 61 год).

Природно-климатические. На Земле имеется немало географических районов, характеризующихся повышенным числом долгожителей (людей старше 90 лет). К ним относятся Кавказ, Прибалтика, в России - Сибирь (район Якутска).

Социальные. Это ведущие факторы. В 1913 г. средняя продолжительность жизни в России составила 32 года, а в 1990 - 70 лет. Увеличение средней продолжительности жизни людей более чем в 2 раза за столь короткий период времени объясняется только социальными факторами: полноценное питание, правильный режим труда и отдыха, запрещение детского труда, механизация труда, развитие медицины, занятия физкультурой и т.д.

Биологические аспекты старения

Старение - комплекс морфофизиологических и биохимических изменений, наблюдающихся во всех органах и тканях организма и ведущих к его разрушению.

Процесс старения захватывает все уровни структурной организации организма - молекулярный, клеточный, тканевой, органный. Результатом старения на уровне целостного организма является снижение с возрастом жизнеспособности особи, уменьшение ее приспособленности и ослабление гомеостатических механизмов.

Существуют внешние и внутренние признаки старения.

Различают старость физиологическую и преждевременную (связанную с болезнью). Физиологическая старость - это закономерный процесс. Почему он происходит? Что лежит в его основе? На эти вопросы нет единого ответа. Предложено более 300 гипотез и теорий физиологического старения, однако популярностью пользуются лишь некоторые из них.

Гипотезы (теории) старения

Теория И.И. Мечникова. Он считал, что старение - процесс патологический. В основе лежит отравление нервных клеток кишечными ядами (индол, крезол, фенол, скатол), которые образуются в толстом кишечнике в результате гнилостного брожения. Для предотвращения процесса старения он предлагал употребление молочно-кислых продуктов (антагонистов гнилостной микрофлоры) и укорочение толстого кишечника.

Теория М.К. Петровой (ученица И.П. Павлова). Процесс старения тесно связан с состоянием центральной нервной системы. В эксперименте с собаками автор показала, что стрессовые ситуации (пожар, наводнение) приводят к сокращению продолжительности жизни подопытных животных.

Теория чешского ученого Ружичка. Старение связано с изнашиванием коллоидных систем клеток. С возрастом коллоидные частицы цитоплазмы укрупняются за счет слипания и переходят из гидрофильных в гидрофобные. Цитоплазма теряет воду - нарушаются обменные процессы.

Теория академика А.А. Богомольца. По его мнению, в основе старения лежит изнашивание соединительной ткани, которая обеспечивает физиологическую активность организма. В результате нарушается питание, теряется вода, снижается тургор тканей.

Гипотеза «накопления ошибок». С возрастом при репликации ДНК растет число ошибок в генетическом коде, что ведет к накоплению чужеродных белков. С увеличением возраста их количество увеличивается до такой степени, что они нарушают обмен веществ.

Аутоиммунная теория. Основными компонентами иммунных реакций являются Т- и В-лимфоциты, обеспечивающие клеточный и гуморальный иммунитет. С возрастом Т- и В-лимфоциты начинают хуже выполнять свои функции и, кроме того, теряют способность узнавать клетки собственного организма, начиная вырабатывать против них антитела. В результате происходит реакция «антиген - антитело». Существуют заболевания, имеющие аутоиммунную природу: ревматизм, гломерулонефрит и др.

Гипотеза свободных радикалов. В норме в клетке в ходе окислительно-восстановительных процессов образуются свободные радикалы - химические частицы, имеющие на внешней орбите неспаренные электроны. В молодом возрасте свободные радикалы нейтрализуются в клетке антиоксидантами (витамины А, Е, С, каротиноиды и др.). Свободные радикалы очень активны в химическом отношении и вступают в связь с молекулами ДНК, РНК, белками, нарушая их функции. В опытах на крысах было показано, что при поступлении с пищей достаточного количества антиоксидантов продолжительность жизни животных увеличивается в 1,5 раза.

Адаптационно-регуляторная теория В.В. Фролькиса. В отличие от предыдущих авторов, В.В. Фролькис рассматривает старение как сложный, многофакторный, внутренне противоречивый процесс. Старение характеризуется, с одной стороны, угнетением обмена веществ, а с другой - адаптацией организма к изменяющимся условиям существования.

Процесс старения захватывает все уровни регуляции организма:

на уровне генетического аппарата - сокращение числа активных генов;

на уровне энергетического обмена - замена кислородного окисления на бескислородное;

на уровне общерегуляторных систем - сдвиги в центральной нервной системе, разлад между корой и подкоркой.

Примерами адаптации организма в процессе старения можно назвать увеличение числа ядер и органелл в клетках, переход от кислородного этапа к гликолизу, повышение чувствительности клеток к гормонам.

Теория биологических часов. Русский ученый Алексей Оловников в 1971 году высказал предположение о существовании в организме биологических часов. В последующем к такому же выводу пришли и американские ученые (Майк Вест и др.).

Давно известно, что число клеточных делений строго ограничено. Так, фибробласты могут делиться в культуре лишь 50 раз. А.Оловников и американские ученые установили, что в синтетический период интерфазы, во время репликации ДНК, происходит укорочение концов хромосом - теломеров. С каждым новым S-периодом длина теломеров становится все меньше. После достижения критической величины репликация не происходит и клетка больше не делится. Таким образом, длина теломеров хромосом определяет продолжительность жизни клеток и организма в целом.

Доказательства справедливости этой теории:

Известно наследственное заболевание прогерия - преждевременное старение (ребенок в возрасте 11-15 лет выглядит как 70-летний старик). Оказалось, что длина теломеров хромосом у этих больных такая же, как и у стариков.

Удалось получить гибридные клетки, у которых хромосомы с укороченными теломерами заменены на хромосомы с длинными теломерами. В результате старые клетки начинали функционировать как молодые. Процесс старения пошел вспять!

Вместе с тем в половых клетках и клетках раковой опухоли не происходит укорочения теломеров, поэтому они могут делиться неограниченное число раз. Укорочению теломеров препятствует фермент теломераза, обнаруженный в этих клетках. Учеными ведется поиск генов, ответственных за синтез теломеразы.

Основные направления борьбы с преждевременным старением

По данным Всемирной организации здравоохранения, здоровье человека (равно как и продолжительность жизни) зависит от следующих факторов:

наследственность - 20%,

состояние окружающей среды - 20%,

уровень развития медицины - 10%,

образ жизни - 50%.

Как видим, здоровье человека на 50% зависит от его образа жизни. Таким образом, прав французский ученый А. Дастр, который писал: "Искусство продления жизни - это искусство не сокращать ее". Поэтому в качестве основных направлений увеличения продолжительности жизни человека можно предложить следующие:

Улучшение условий труда и быта.

Качественное питание, но не переедание (лишние 4 кг веса сокращают жизнь на 1 год).

Улучшение медицинского обслуживания.

Регулярные занятия физкультурой (два 2-хчасовых занятия в неделю греблей, плаванием, теннисом, футболом увеличивают среднюю продолжительность жизни на 7-9 лет).

Борьба с вредными привычками (1 мин. курения стоит 1 мин. жизни; две выкуренные пачки сигарет в день сокращают продолжительность жизни на 8 лет; средняя продолжительность жизни алкоголиков меньше по сравнению со средними данными для всей популяции людей на 20%).

Оздоровление психологического микроклимата в семье, в коллективе.

Охрана окружающей среды.

14. Регенерация как общее свойство живых организмов

Регенерация - процесс восстановления живыми организмами снашиваемых или поврежденных биологических структур. Синоним - репарация.

Регенерация имеет как биологическое, так и медицинское значение.

С точки зрения биологии, регенерация носит приспособительный характер.

Любое заболевание сопровождается повреждением биологических структур, выздоровление - их регенерацией.

Классификация репаративных процессов

В зависимости от уровня биологической организации поврежденных структур:

внутриклеточная регенерация;

клеточная регенерация;

тканевая регенерация;

органная регенерация;

организменная регенерация.

Внутриклеточная регенерация (увеличение числа ядер и органелл) носит универсальный характер - присуща всем клеткам (даже нервным).

В зависимости от фактора, вызвавшего процесс:

физиологическая - процесс восстановления биологических структур, снашивающихся в процессе нормальной жизнедеятельности (линька у насекомых, птиц, млекопитающих; у человека: слущивание клеток эпидермиса, пищеварительного тракта, обновление клеток крови - каждую секунду погибает 4 млн. эритроцитов и столько же появляется новых);

репаративная - процесс восстановления биологических структур, разрушенных насильственным путем.

Репаративная регенерация может протекать в разных формах и разными способами.

Формы репаративной регенерации

Гомоморфоз - на месте отторгнутого органа восстанавливается точно такой же.

Например, у тритона после удаления конечности через некоторое время вырастет новая конечность.

Гетероморфоз - на месте отторгнутого органа вырастает другой.

Например, у рака на месте удаленного глаза может вырасти антенна.

Гиперморфоз - на месте одного удаленного органа появляется несколько таких же.

Например, иногда у тритона на месте одной удаленной конечности вырастают две.

Регенерационная гипертрофия - восстанавливается не форма органа, а его масса.

Так, при удалении части печени у позвоночных животных эта доля не восстанавливается, но оставшаяся часть разрастается до объема неповрежденной печени.

Компенсаторная гипертрофия - при удалении одного из парных органов второй берет на себя и его функцию, увеличиваясь в размерах в результате повышенной физиологической нагрузки.

Так происходит, например, при удалении одной почки.

Соматический эмбриогенез - восстановление целого организма из его части.

Например, гидру можно разрезать на 200 частей, и каждая из них даст самостоятельный организм.

Способы репаративной регенерации

Эпиморфоз - достройка недостающей части до целого. От раневой поверхности постепенно отрастает недостающая часть тела. Пример: восстановление конечности у тритона.

Морфаллаксис - оставшаяся часть органа (культя) подвергается усиленным процессам перестройки с последующим формированием целого органа, но так как материала для его восстановления недостаточно, то орган получается меньшего размера. Пример: восстановление конечности у таракана.

Эндоморфоз - усиленное размножение клеток в оставшейся части органа. Пример: восстановление печени у позвоночных.

Источники регенерационного материала

Наличие в зрелом организме бластных (малодифференцированных) клеток.

2. Дедифференцировка клеток по схеме: специализированные клетки > малодифференцированные клетки > клетки с другой специализацией.

Активация специализированных клеток к размножению.

Давно замечено, что различные виды животных обладают неодинаковой способностью к восстановлению органов и тканей. От каких факторов зависит эта способность?

Факторы, определяющие репаративные способности разных видов

Уровень биологической организации вида:

Чем выше уровень биологической организации вида, тем хуже выражена его способность к регенерации (1-е правило регенерации Ч. Дарвина).

Действительно, можно составить из отдельных видов животных ряд, иллюстрирующий падение способности к регенерации по мере усложнения их биологической организации: гидра (кишечнополостные) > дождевой червь (кольчатые черви) > рак (членистоногие) > тритон (хвостатые амфибии) > крыса (млекопитающие).

Однако эта зависимость не является абсолютной, т.к. имеется немало исключений:

гидра регенерирует хорошо, а медуза плохо (относятся к типу Кишечнополостные);

дождевой червь хорошо регенерирует, а пиявка плохо (относятся к типу Кольчатые черви);

тритон восстанавливает ампутированную конечность, а лягушка нет (относятся к классу Земноводные);

у млекопитающих скорость восстановления печени из оставшейся части выше, чем у земноводных.

Из этого следует, что имеются и другие факторы, определяющие у разных видов неодинаковые способности к регенерации.

Условия формирования вида в филогенезе:

хорошими репаративными способностями обладают те виды, особи которых часто повреждались в ходе эволюции.

Примеры.

1. Дождевые черви служат кормом для птиц, поэтому их жизнь сопряжена с постоянным травмированием тела. В таких условиях могли выжить лишь те виды, у которых по наследству закрепилась способность восстанавливать недостающую часть тела.

2. У зайца-русака кожа на спине значительно лучше регенерирует, чем на животе. Это объясняется тем, что особи данного вида постоянно подвергались нападению на них хищных птиц, которые повреждают чаще всего кожные покровы спины. У норовых грызунов наоборот - кожа на животе лучше регенерирует, чем на спине (при ползании чаще повреждается кожа живота).

3. Морская голотурия (тип Иглокожие), спасаясь при преследовании, может выбрасывать свой кишечник, который через некоторое время восстановится.

Известно также, что и у особей одного вида способность к регенерации выражена неодинаково.

Факторы, определяющие репаративные способности особей одного вида

Возраст - чем моложе организм, тем он лучше регенерирует (2-е правило регенерации Ч. Дарвина).

Частота повреждений в онтогенезе - чем чаще орган повреждается в ходе индивидуального развития, тем он лучше регенерирует. Например, повторная ампутация лапки у тритона характеризуется более быстрым ее восстановлением.

Физиологическое состояние организма. Если ампутировать соски молочных желез у крольчих и обезьян в первой половине беременности, то они восстановятся; если во второй половине - то нет.

Характер травмы. Например, у крысят ампутированная часть концевой фаланги пальца при перпендикулярном срезе не восстанавливается; при косом срезе - восстанавливается.

Вид ткани. Хорошо восстанавливается эпителиальная ткань, плохо - костная и мышечная.

Состояние нервной системы. Денервированный (лишенный иннервации) орган, как правило, не регенерирует. Если у тритона седалищный нерв вывести на боковую поверхность тела, то в этом месте может вырасти дополнительная конечность.

Факторы внешней среды - питание, температура окружающей среды, содержание кислорода, микроэлементов.

Регуляция восстановительных процессов осуществляется на всех уровнях биологической организации организма. Выделяют следующие виды регуляторных механизмов:

внутриклеточные и внутритканевые,

гормональные,

нервные,

функциональные,

межорганные.

Внутриклеточные и внутритканевые. Размножение клеток в ткани сдерживается веществами кейлонами (гликопротеидами). При повреждении образуются антикейлоны, нейтрализующие действие кейлонов, что ведет к размножению клеток. Кроме того, продукты распада поврежденных клеток обладают стимулирующим действием - оказывают влияние на неповрежденные клетки, заставляя их размножаться.

Гормональные механизмы. В экспериментах было установлено влияние на процессы репарации гормонов гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, половых желез, поджелудочной железы.

Нервные механизмы. Нервная система выполняет трофическую функцию: в нервных окончаниях вырабатывается нейротрофический фактор, стимулирующий процессы регенерации.

Функциональные механизмы. В поврежденном органе или ткани оставшиеся клетки всегда будут испытывать возросшую физиологическую нагрузку. Это приводит к усилению обменных процессов в клетке, что, в свою очередь, повлечет внутриклеточную регенерацию или размножение клеток.

Межорганные механизмы обеспечиваются вовлечением в восстановительный процесс различных органов при участии нервной и эндокринной систем.

Стимуляция репаративных процессов

Можно ли усилить репаративные способности организма? Да, можно. Сегодня известно много способов стимуляции репаративных процессов.



Рис. 9

Методы локального воздействия на регенерирующий орган

Физические. В качестве стимулятора используют механическое повреждение, электрический ток (переменный или постоянный), ультразвук, излучение лазера, магнитные поля и т. д. Русский ученый Л.В. Полежаев в 1933 году впервые добился восстановления ампутированной конечности у взрослой лягушки путем травмирования поверхности культи частыми уколами иглой. Таким же способом можно добиться исчезновения рубцов на коже у млекопитающих. Физические методы стимуляции сегодня широко используются в медицинской практике при лечении многих заболеваний.

Химические. Используются в качестве стимуляторов химические вещества: соли, кислоты, щелочи, ферменты. Так, Л.В. Полежаев добился восстановления ампутированной конечности лягушки путем кратковременного погружения культи в раствор концентрированной кислоты или щелочи. В медицинской практике при заживлении гнойных ран используются ферменты - трипсин, химотрипсин. Несмеянова и Матиосян добились сращения спинного мозга при его травматическом разрыве путем введения в область разрыва

гиалуронидазы (фермент, разрушающий соединительную ткань) и пирогенала (препарат, повышающий температуру тела). Эти вещества препятствовали образованию соединительнотканной мозоли в месте разрыва спинного мозга, в результате наблюдалось восстановление проводящих путей.

Биологические. В качестве стимуляторов используют биологические ткани: стекловидное тело, ткани эмбриона, надпочечников, экстракты хряща.

Одной из разновидностей биологического стимулирования является метод индукции. Так, Л.В. Полежаев с помощью метода индукции добился закрытия круглого отверстия черепа у млекопитающих (в обычных условиях оно не зарастает). Он заполнял дефект костными опилками, смоченными кровью. Опилки выделяли биологически активные вещества, которые стимулировали надкостницу к остеогенной реакции - она продуцировала костные клетки. Ученый А.Н. Студитский аналогичным методом восстановил икроножную мышцу у крыс - заполнял дефект мышечным фаршем.

Метод протезов. Различают протезы временные и постоянные. Временные протезы существуют ограниченное время, а затем они рассасываются. Примером временного протеза может служить использование консервированного в формалине нервного ствола, который подшивается к концам разорванного нерва. Консервированный нерв будет выполнять роль направляющего проводника. Постоянные протезы изготавливаются из полимерных материалов, применяются при повреждении полых трубчатых органов (сосудов, мочеточника, трахеи). При этом сразу восстанавливается функция органа, что очень важно. В последующем они обрастают соединительной тканью.

Методы общего воздействия на организм

С этой целью используются различные биологически активные вещества, лекарственные препараты, диета. Так, применение фетальной сыворотки в эксперименте ускоряло процесс сращения трубчатых костей. Гормоны многих эндокринных желез также ускоряют репаративные процессы. Большое влияние на течение регенерации оказывает диета.

Одним из направлений научных исследований сотрудников кафедры биологии ИвГМА является "Изучение особенностей регенерации наружных органов млекопитающих в условиях жидкой среды". В качестве жидкой среды используются солевые изотоничные растворы. В опытах на крысах было установлено, что жидкая среда оказывает на процессы регенерации стимулирующее влияние:

восстанавливается у крысят ампутированная часть концевой фаланги пальцев;

восстанавливается ампутированная часть хвостовых позвонков у крысят;

формируется при заживлении кожных ран более полноценный регенерат (закладываются железы);

удается сохранить жизнь животных при обширных дефектах кожи.

Результаты исследований внедряются в медицинскую практику. В частности, в Ивановском госпитале инвалидов ВОВ жидкая среда была успешно использована для восстановления травматических дефектов ногтевых фаланг кисти детей.

15. Понятие о гомеостазе. Общие закономерности регуляции гомеостаза в живых организмах

Гомеостаз - постоянство внутренней среды живых организмов, которое они поддерживают несмотря на изменение условий окружающей среды.

Гомеостаз в живом организме проявляется в относительном постоянстве таких показателей, как рН, осмотическое давление, химический состав крови, артериальное давление, температура, постоянстве биологических структур.

Необходимость гомеостаза объясняется тем, что все биохимические реакции могут протекать в строго определенных условиях (температура, рН, давление). Французский ученый Клод Бернар писал: «Постоянство внутренней среды - условие независимого существования организма».

Гомеостаз на уровне целостного организма может быть функциональным (постоянство функций) и структурным (постоянство структур).

Постоянство показателей внутренней среды организма носит относительный характер, т.к. всегда имеются небольшие отклонения от нормы. Эти колебания необходимы для того, чтобы служить сигналами для включения регуляторных механизмов.

Механизмы регуляции гомеостаза имеют место на всех уровнях биологической организации: от молекулярно-генетического до организменного. Они многообразны, однако работают слаженно, т.к. контролируются регуляторными системами: нервной, эндокринной, иммунной. Таким образом, механизмы регуляции гомеостаза носят системный характер.

В основе любого заболевания лежит нарушение гомеостаза, а лечение - его восстановление.

Кибернетические основы регуляции гомеостаза

Кибернетика - наука, устанавливающая общие принципы управления саморегулирующимися системами. Живые организмы также являются саморегулирующимися системами, и поэтому к ним применимы все кибернетические понятия и принципы регуляции.

Рис. 10Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы кибернетической системы лежит процесс передачи и обработки информации. В работу системы постоянно вносятся коррективы, характер которых зависит от тех отклонений, которые наблюдаются на входе. Для живых организмов входными сигналами служат пища, вода, свет, звук, температура. Выходные сигналы - реакция органа или ткани, выделение секрета и т.д. Важным элементом кибернетической системы является обратная связь - влияние выходного сигнала на блок управления. Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь - направлена на восстановление исходного состояния кибернетической системы, в случае ее отклонения от нормы.

Пример: работа термостата.

Положительная обратная связь - направлена на усиление возникшего отклонения кибернетической системы от исходного состояния.

Пример: кровотечение из крупного сосуда, рост организма в онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза

Нервная регуляция:

высокая скорость наступления ответной реакции;

реакция кратковременная;

реакция носит локальный характер.

Гуморальная регуляция (обеспечивается выделением в кровь гормонов):

реакция наступает медленно;

реакция длительна;

реакция носит разлитой характер.

Таким образом, обе системы в целостном организме дополняют друг друга.

В основе функционирования нервной и эндокринной систем лежит принцип действия отрицательной обратной связи.

В качестве сигнала для внесения изменения в работу организма как кибернетической системы служит содержание гормона в крови. Одни железы эндокринной секреции (поджелудочная железа, паращитовидные железы, эпифиз) сами реагируют на содержание гормона, а другие (щитовидная, половые, кора надпочечников) - через переднюю долю гипофиза, которая вырабатывает четыре гормона: соматотропный, тиреотропный, адренокортикотропный, гонадотропный.

...