Учебно-методический комплекс дисциплины «биология индивидуального развития» для подготовки бакалавров по специальности 5В060700 "Биология"
жүктеу/скачать 1.56 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Вопросы для самоконтроля
- Постэмбриональное развитие рыб, птиц и млекопитающих . Вопросы
- Юношеский возраст
- Прямое и непрямое развитие . Общие вопросы
- Цитодифференцировка и морфогенез . Общие вопросы
- Теоретические и прикладные аспекты биологии развития . Общие вопросы
- Трансплантация эмбрионального материала.
- Искусственное оплодотворение вне организма.
- 3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое гистогенез и органогенез? Лекция № 11. – Система мать-плод. Взаимодействие со средой.
При этом в обеих подсистемах различают следующие механизмы: рецепторные, воспринимающие информацию, регуляторные, осуществляющие ее переработку, и исполнительные. Рецепторные механизмы организма матери расположены в матке в виде чувствительных нервных окончаний, которые первыми воспринимают информацию о состоянии развивающегося плода. В эндометрии находятся хемо-, механо- и терморецепторы, а в кровеносных сосудах - барорецепторы. Рецепторные нервные окончания свободного типа особенно многочисленны в стенках маточной вены и в децидуальной оболочке в области прикрепления плаценты. Раздражение рецепторов матки вызывает изменения интенсивности дыхания, кровяного давления в организме матери, что обеспечивает нормальные условия для развивающегося плода. Регуляторные механизмы организма матери включают отделы ЦНС (височная доля мозга, гипоталамус, мезэнцефальный отдел ретикулярной формации), а также гипоталамо-эндокринную систему. Важную регуляторную функцию выполняют гормоны: половые, тироксин, кортикостероиды, инсулин и др. Так, во время беременности происходят, усиление активности коры надпочечников матери и повышение выработки кортикостероидов, которые участвуют в регуляции метаболизма плода. В плаценте вырабатывается хорионический гонадотропин, стимулирующий образование АКТГ гипофиза, который активизирует деятельность коры надпочечников и усиливает секрецию кортикостероидов. Регуляторные нейроэндокринные аппараты матери обеспечивают сохранение беременности, необходимый уровень функционирования сердца, сосудов, кроветворных органов, печени и оптимальный уровень обмена веществ, газов в зависимости от потребностей плода. Рецепторные механизмы организма плода воспринимают сигналы об изменениях организма матери или собственного гомеостаза. Они обнаружены в стенках пупочных артерий и вены, в устьях печеночных вен, в коже и кишечнике плода. Раздражение этих рецепторов приводит к изменению частоты сердцебиения плода, скорости кровотока в его сосудах, влияет на содержание сахара в крови и т. д. Регуляторные нейрогуморальные механизмы организма плода формируются в процессе развития. Первые двигательные реакции у плода появляются на 2-3-м месяце развития, что свидетельствует о созревании нервных центров. Механизмы, регулирующие газовый гомеостаз, формируются в конце II триместра эмбриогенеза. Начало функционирования центральной эндокринной железы - гипофиза - отмечается на 3-м месяце развития. Синтез кортикостероидов в надпочечниках плода начинается со второй половины беременности и увеличивается с его ростом. У плода усилен синтез инсулина, который необходим для обеспечения его роста, связанного с углеводным и энергетическим обменом. Действие нейрогуморальных регуляторных систем плода направлено на исполнительные механизмы - органы плода, обеспечивающие изменение интенсивности дыхания, сердечно-сосудистой деятельности, мышечной активности и т.д. и на механизмы, определяющие изменение уровня газообмена, обмена веществ, терморегуляции и других функций. В обеспечении связей в системе мать - плод особо важную роль играет плацента, которая способна не только аккумулировать, но и синтезировать вещества, необходимые для развития плода. Плацента выполняет эндокринные функции, вырабатывая ряд гормонов: прогестерон, эстроген, хорионический гонадотропин (ХГ), плацентарный лактоген и др. Через плаценту между матерью и плодом осуществляются гуморальные и нервные связи. Существуют также экстраплацентарные гуморальные связи через плодные оболочки и амниотическую жидкость. Гуморальный канал связи - самый обширный и информативный. Через него происходит поступление кислорода и углекислого газа, белков, углеводов, витаминов, электролитов, гормонов, антител и др. В норме чужеродные вещества не проникают из организма матери через плаценту. Они могут начать проникать лишь в условиях патологии, когда нарушена барьерная функция плаценты. Важным компонентом гуморальных связей являются иммунологические связи, обеспечивающие поддержание иммунного гомеостаза в системе мать - плод. Несмотря на то, что организмы матери и плода генетически чужеродны по составу белков, иммунологического конфликта обычно не происходит. Это обеспечивается рядом механизмов: 1) синтезируемые симпластотрофобластом белки, тормозящие иммунный ответ материнского организма. 2) хориональный гонадотропин и плацентарный лактоген, находящиеся в высокой концентрации на поверхности симпластотрофобласта; 3) иммуномаскирующее действие гликопротеидов перицеллюлярного фибриноида плаценты, заряженного так же, как и лимфоциты омывающей крови, отрицательно; 4) протеолитические свойства трофобласта также способствуют инактивации чужеродных белков. В иммунной защите принимают участие и амниотические воды, содержащие антитела, блокирующие антигены А и В, свойственные крови беременной, и не допускают их в кровь плода. Организмы матери и плода представляют собой динамическую систему гомологичных органов. Поражение какого-либо органа матери ведет к нарушению развития одноименного органа плода. Так, если беременная женщина страдает диабетом, при котором снижена выработка инсулина, то у плода наблюдаются увеличение массы тела и повышение продукции инсулина в островках поджелудочной железы. В эксперименте на животных установлено, что сыворотка крови животного, у которого удалили часть какого-либо органа, стимулирует пролиферацию в одноименном органе. Однако механизмы этого явления изучены недостаточно. Нервные связи включают плацентарный и экстраплацентарный каналы: плацентарный - раздражение баро- и хеморецепторов в сосудах плаценты и пуповины, а экстраплацентарный - поступление в ЦНС матери раздражений, связанных с ростом плода и др. Наличие нервных связей в системе мать - плод подтверждается данными об иннервации плаценты, высоком содержании в ней ацетилхолина, отставании развития плода в денервированном роге матки экспериментальных животных и др. В процессе формирования системы мать - плод существует ряд критических периодов, наиболее важных для установления взаимодействия между двумя системами, направленных на создание оптимальных условий для развития плода.
Лекция № 12. Постэмбриональное развитие рыб, птиц и млекопитающих. Вопросы: Молекулярные механизмы, лежащие в основе развития. Период новорожденности. Телосложение. Рост. Половое созревание и дифференцировка функций. Имплантация и типы плацент. Общая характеристика, развитие и значение в процессе жизнедеятельности организма. Конспект. При изучении онтогенеза, или индивидуального развития организма, приходится с некоторой мерой условности выделять относительно самостоятельные, но тесно связанные между собой периоды развития организма. В онтогенезе организмов, размножающихся половым путем, различают три периода развития: предзародышевый, зародышевый, или эмбриональный, и постэмбриональный, или постнатальный (рождение). Предзародышевый период охватывает период развития половых клеток и подготовки к их дальнейшему развитию после оплодотворения или партеногенетически. У человека, например, предзародышевый период охватывает время, в течение которого идет развитие мужских и женских половых клеток. Эмбриональный период характеризуется развитием зародыша во внешней среде либо в половых путях материнского организма и быстрыми процессами формообразования, которые в короткий срок приводят к появлению многоклеточного организма. Эмбриональное развитие человека в свою очередь подразделяется на три периода: начальный, зародышевый и плодный. Начальный период охватывает первую неделю эмбрионального развития; он начинается с момента оплодотворения и продолжается до начала имплантации зародыша в слизистую оболочку матки. Зародышевый период у человека охватывает время от начала второй недели после оплодотворения до конца восьмой недели, т. е. от имплантации до завершения процесса органогенеза. Этот период характеризуется процессами органогенеза. Специфическими особенностями характера питания - так называемым гистиотрофным питанием, когда зародыш питается секретом маточных желез и продуктами распада тканей слизистой оболочки матки, возникающими в результате гистиолитической деятельности плазмодиотрофобласта, отсутствием в течение продолжительного времени плацентарного кровообращения, а также приобретением характерных черт, свойственных зародышу человека. Последний, плодный, или фетальный (плод), период эмбрионального развития человека начинается с девятой недели после оплодотворения и длится до рождения. Этот период характеризуется усиленным ростом, бурными формообразовательными процессами, специфическими особенностями характера питания - так называемым гемотрофным питанием в связи с функционированием плацентарного кровообращения. Постэмбриональный период у человека и млекопитающих животных начинается с рождения, выхода организма из зародышевых оболочек. В постэмбриональном периоде развития человека возникают специфические анатомические и функциональные особенности, которые получили наименование возрастных. В связи с этим постнатальный онтогенез человека принято разделять на ряд возрастных периодов. Хотя между этими периодами и нет четко выраженных границ, однако переход от одного возрастного периода к следующему связан с определенными морфофункциональными особенностями и является переломным этапом индивидуального развития. В основу периодизации постнатального онтогенеза человека положены такие критерии, как прорезывание зубов, окостенение скелета, размеры тела и органов, масса тела. Степень полового созревания, развитие мышечной силы, развитие желез внутренней секреции и др. Эти критерии, тесно связанные с ростом, развитием и функциональной специализацией клеток, тканей и органов тела человека, также являются предметом изучения гистологии. Возрастная периодизация постнатального онтогенеза человека. Новорожденные - 1 - 10 дней. Младенцы (грудной возраст): 10 дней - 1 год. Дети - 1 год - 11 лет (девочки), 12 лет (мальчики). Подростки: 12 (девочки), 13 (мальчики), 15 лет (девочки) и 16 лет (мальчики). Юношеский возраст: 16 (девушки, юноши) и 20 (девушки), 21 год (юноши). Зрелый возраст: 22 - 55 (женщины), 60 (мужчины). Пожилой возраст: 56 (женщины), 61 (мужчины) - 74 года. Старики: 75 - 90 лет. Долгожители - 90 лет и выше. Рост - это увеличение общей массы в процессе развития, приводящее к постоянному увеличению размеров организма. Если бы организм не рос, он никогда бы не стал больше оплодотворенного яйца. Рост обеспечивается следующими механизмами: 1) увеличением размера клеток, 2) увеличением числа клеток, 3) увеличением неклеточного вещества, продуктов жизнедеятельности клеток. 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. Различают два типа роста: ограниченный и неограниченный. Неограниченный рост продолжается на протяжении всего онтогенеза, вплоть до смерти. Таким ростом обладают, в частности, рыбы. Многие другие позвоночные характеризуются ограниченным ростом, т.е. достаточно быстро выходят на плато своей биомассы. Обобщенная кривая зависимости роста организма от времени при ограниченном росте имеет 5-образную форму. До начала развития организм имеет некоторые исходные размеры, которые в течение короткого времени практически не изменяются. Затем начинается медленное, а потом и быстрое возрастание массы. Некоторое время скорость роста может оставаться относительно постоянной и наклон кривой не меняется. Но вскоре происходит замедление роста, а потом увеличение размеров организма прекращается. После достижения этой стадии устанавливается равновесие между расходованием материала и синтезом новых материалов, обеспечивающих увеличение массы. Важнейшей характеристикой роста является его дифференциалъность. Это означает, что скорость роста неодинакова, во-первых, в различных участках организма и, во - вторых, на разных стадиях развития. Очевидно, что дифференциальный рост оказывает огромное влияние на морфогенез. 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. Кривые роста большинства скелетных и мышечных органов повторяют ход кривой общего роста. То же касается изменения размеров и отдельных органов: печени, селезенки, почек. Однако кривые роста целого ряда других тканей и органов существенно отличаются. Очевидно, что в плодном и постнатальном периодах скорость роста головы уменьшается по сравнению со скоростью роста ног. Пубертатный скачок роста характеризует только человека и обезьян. Это позволяет оценивать его как этап в эволюции приматов. Он коррелирует с такой особенностью онтогенеза, как увеличение отрезка времени между окончанием вскармливания и половым созреванием. У большинства млекопитающих этот интервал мал и отсутствует пубертатный скачок роста. Как уже говорилось выше, рост осуществляется за счет таких клеточных процессов, как увеличение размеров клеток и увеличение их количества. Выделяют несколько типов роста клеток. Ауксентичный - рост, идущий путем увеличения размеров клеток. Это редкий тип роста, наблюдающийся у животных с постоянным количеством клеток, таких, как коловратки, круглые черви, личинки насекомых. Рост отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацией ядер. Пролиферационный - рост, протекающий путем размножения клеток. Он известен в двух формах: мультипликативный и аккреционный. Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления родоначальной клетки, снова вступают в деление. Число клеток растет в геометрической прогрессии. Мультипликативный рост очень эффективен и поэтому в чистом виде почти не встречается или очень быстро заканчивается (например, в эмбриональном периоде). Аккреционный рост заключается в том, что после каждого последующего деления лишь одна из клеток снова делится, тогда, как другая прекращает деление. При этом число клеток растет линейно. Этот тип роста связан с разделением органа на камбиальную и дифференцированную зоны. Клетки переходят из первой зоны во вторую, сохраняя постоянные соотношения между размерами зон. Такой рост характерен для органов, где происходит обновление клеточного состава. Пространственная организация роста сложна и закономерна. Именно с ней в значительной мере связана видовая специфичность формы. Это проявляется в виде аллометрического роста. Его биологический смысл состоит в том, что организму в ходе роста надо сохранить не геометрическое, а физическое подобие, т.е. не превышать определенных отношений между массой тела и размерами опорных и двигательных органов. Так как с ростом тела масса возрастает в третьей степени, а сечения костей во второй степени, то для того, чтобы организм не был раздавлен собственной тяжестью, кости должны расти в толщину непропорционально быстро. Регуляция роста сложна и многообразна. Большое значение имеют генетическая конституция и факторы внешней среды. Почти у каждого вида есть генетические линии, характеризующиеся предельными размерами особей, такими, как карликовые или, наоборот, гигантские формы. Генетическая информация заключена в определенных генах, детерминирующих длину тела, а также в других генах, взаимодействующих между собой. Реализация всей информации в значительной мере обусловлена посредством действия гормонов. Наиболее важным из гормонов является соматотропин, выделяемый гипофизом с момента рождения до подросткового периода. Гормон щитовидной железы - тироксин - играет очень большую роль на протяжении всего периода роста. С подросткового возраста рост контролируется стероидными гормонами надпочечников и гонад. Из факторов среды наибольшее значение имеют питание, время года, психологические воздействия. Интересной является зависимость способности к росту от возрастной стадии организма. Ткани, взятые на разных стадиях развития и культивируемые в питательной среде, характеризуются различной скоростью роста. Чем старше зародыш, тем медленнее растут его ткани в культуре. Ткани, взятые от взрослого организма, растут очень медленно. Вопросы для самоконтроля:
Лекция № 13. – Прямое и непрямое развитие. Общие вопросы: Понятие о метаморфозе (преобразование). Характеристика прямого, или неличиночного и непрямого, или личиночного, развитии. Конспект лекции: У многих животных и человека эмбриональный период развития завершается появлением молодой особи, которая в основном подобна родительским формам. Такое развитие называют прямым развитием. Если же в процессе развития возникает организм, который существенно отличается от родительских форм, то такое развитие именуют непрямым или личиночным развитием, а новый организм называют личинкой. Перед тем как приобрести признаки исходных родительских форм, с личинкой происходит ряд преобразований. Эти преобразования могут осуществляться постепенно, путем незначительных изменений или же возникать внезапно. Постепенное превращение личинки во взрослую, подобную родительской форму - называют развитием с неполным превращением. В том случае, когда преобразование личинки в форму, подобную родительской, происходит внезапно и сопровождается значительной перестройкой организма личинки, такой процесс называют развитием с полным превращением или метаморфозом (преобразование). Прямое, или неличиночное, развитие характеризуется тем, что появляется организм, похожий на взрослую родительскую форму, но отличающийся от последней меньшими размерами и не вполне развитым половым аппаратом. У таких форм животных образование всех органов наблюдается в эмбриональном периоде развития, а в постэмбриональном происходит рост, половое созревание и дифференцировка функций. Прямое развитие широко распространено в животном мире. Так, среди беспозвоночных животных оно наблюдается у кишечнополостных, многих нематод, головоногих моллюсков. Прямое развитие свойственно большинству позвоночных: некоторым рыбам и земноводным, пресмыкающимся, птицам, млекопитающим животным и человеку. Прямое развитие связано, как правило, либо с большими запасами желтка в яйцеклетке и наличием защитных приспособлений для развивающегося зародыша, либо с развитием зародыша в материнском организме. Прямое развитие требует значительного времени для формирования особи, в связи с чем, у организмов, развивающихся по этому типу, наблюдается весьма продолжительный эмбриональный период развития. В свою очередь продолжительность эмбрионального периода развития связана с наличием больших запасов питательных веществ, для развивающегося организма, а это в свою очередь ведет к образованию гигантских яйцеклеток. Кроме того, в процессе эволюции организмов с прямым развитием у яйцеклеток возникли прочные оболочки - скорлуповая у птиц и пергаментная у пресмыкающихся. У плацентарных млекопитающих яйцеклетки в процессе эволюции вторично утратили желток вследствие развития зародыша в организме матери и возникновения совершенной системы жизнеобеспечения зародыша - плаценты. Непрямое, или личиночное, развитие свойственно многим беспозвоночным. Особенно, к кишечнополостным, червям, моллюскам, ракообразным, насекомым, низшим хордовым, рыбам (двоякодышащим, некоторым костистым, ганоидным) и земноводным. Непрямое развитие животных характеризуется коротким эмбриональным периодом развития, после которого возникает личинка, способная к самостоятельному существованию. Вышедшая из яйца личинка не похожа на родительскую форму; она устроена гораздо проще взрослого животного и имеет специфические личиночные органы, которых не наблюдается у родительских форм во взрослом состоянии. Непрямое развитие организмов связано с тем, что для полного развития и формирования особи в яйце недостаточно питательных веществ. Лишь переход личинки к самостоятельному питанию обеспечивает дальнейшее развитие организма. Однако личиночная стадия развития может быть связана не только с недостатком питательных веществ в яйце для полного развития организма. Иногда вышедшая из яйца личинка вовсе не питается. Это наблюдается в том случае, если взрослая родительская форма ведет сидячий образ жизни. Таким образом, свободноживущая личинка способствует расселению вида. Подобный способ расселения встречается у кишечнополостных, губок, мшанок, асцидий, паразитических ракообразных. Продолжительность личиночного периода развития различна и зависит от ряда факторов, из которых самым главным является количество питательных веществ в яйце. Чем больше питательных веществ в яйце, тем продолжительнее эмбриональный период развития личинки и короче личиночный период, и, наоборот, чем меньше питательных веществ в яйце, тем короче эмбриональный период развития и продолжительнее личиночный период. У таких беспозвоночных, как губки, кишечнополостные, ресничные черви, некоторые насекомые, а также у большинства рыб непрямое развитие осуществляется путем постепенного преобразования личинки во взрослую форму без существенной и резкой перестройки ее органов, т. е. по типу неполного превращения. Развитие личинки с неполным превращением связано с накоплением довольно значительного количества желтка в яйце, однако его все же недостаточно для перехода этих организмов к прямому развитию. Вышедшая из яйца личинка при развитии с неполным превращением лишь отдаленно напоминает родительский организм. Преобразование личинки во взрослую форму с полным превращением, или метаморфозом, сопровождается разрушением, резорбцией, редукцией и перестройкой подавляющего большинства ее тканей и органов. Этот процесс не распространяется лишь на зачатки нервной и половой системы. Развитие с метаморфозом широко распространено в животном мире. Оно свойственно ряду беспозвоночных: губкам, гидроидным полипам, иглокожим, насекомым и другим. А также хордовым: круглоротым, ганоидным, двоякодышащим, костистым рыбам, земноводным. По всей вероятности, преобразование личинки во взрослую форму с метаморфозом является первичным в онтогенезе многоклеточных животных, поскольку такое развитие присуще наиболее примитивным животным. Постепенный переход от метаморфоза к развитию с неполным превращением и далее к прямому развитию прослеживается у ряда современных форм беспозвоночных - брюхоногих моллюсков, ракообразных и, очевидно, имел место в процессе эволюции. Этот переход также связан с накоплением желтка в яйце, т. е. с наличием резервных питательных веществ для развивающегося зародыша. Вопросы для самоконтроля:
Лекция № 14. – Цитодифференцировка и морфогенез. Общие вопросы: Примеры дифференцировок. Дифференцировка как синтез специфических белков. Физико-химические и генетические механизмы эмбриогенеза. Конспект лекции: Дифференцировка - это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. В самом узком смысле это изменения, происходящие в клетке на протяжении одного, нередко терминального, клеточного цикла, когда начинается синтез главных, специфических для данного клеточного типа, функциональных белков. Примером может служить дифференцировка клеток эпидермиса кожи человека. При которой в клетках, перемещающихся из базального в шиповатый и затем последовательно в другие, более поверхностные слои, происходит накопление кератогиалина, превращающегося в клетках блестящего слоя в элеидин, а затем в роговом слое — в кератин. При этом изменяются форма клеток, строение клеточных мембран и набор органоидов. На самом деле дифференцируется не одна клетка, а группа сходных клеток. Примеров можно привести множество, так как в организме человека насчитывают порядка 220 различных типов клеток. Фибробласты синтезируют коллаген, миобласты - миозин, клетки эпителия пищеварительного тракта - пепсин и трипсин. В более широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное (на протяжении нескольких клеточных циклов) возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из более или менее однородных клеток одного исходного зачатка. Этот процесс непременно сопровождают морфогенетические преобразования, т.е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловливаемые самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции. Зародышевые листки и их производные являются примером ранней дифференцировки, приводящей к ограничению потенций клеток зародыша. Можно выделить целый ряд признаков, которые характеризуют степень дифференцированности клеток. Так, для недифференцированного состояния характерны относительно крупное ядро и высокое ядерно-цитоплазматическое отношение, диспергированный хроматин и хорошо выраженное ядрышко, многочисленные рибосомы и интенсивный синтез РНК, высокая митотическая активность и неспецифический метаболизм. Все эти признаки изменяются в процессе дифференцировки, характеризуя приобретение клеткой специализации. Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифференцировки приобретают характерный для них вид, называют гистогенезом. Дифференцировка клеток, гистогенез и органогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это очень важно, потому что указывает на координированность и интегрированность эмбрионального развития. В то же время удивительно, что, в сущности, с момента одноклеточной стадии (зиготы) развитие из нее организма определенного вида уже жестко предопределено. Всем известно, что из яйца птицы развивается птица, а из яйца лягушки - лягушка. Правда, фенотипы организмов всегда различаются и могут быть нарушены до степени гибели или возникновения порока развития, а нередко могут быть даже как бы искусственно сконструированы, например у химерных животных. Требуется понять, каким образом клетки, обладающие чаще всего одинаковыми кариотипом и генотипом, дифференцируются и участвуют в гисто- и органогенезе в необходимых местах и в определенные сроки соответственно целостному «образу» данного вида организмов. Осторожность при выдвижении положения о том, что наследственный материал всех соматических клеток абсолютно идентичен, отражает объективную реальность и историческую неоднозначность в трактовке причин клеточной дифференцировки. В. Вейсман выдвинул гипотезу о том, что только линия половых клеток несет в себе и передает потомкам всю информацию своего генома, а соматические клетки могут отличаться от зиготы и друг от друга количеством наследственного материала и поэтому дифференцироваться в разных направлениях. Ниже приведены факты, подтверждающие возможность изменения наследственного материала в соматических клетках, но их надо трактовать как исключения из правил. Вейсман опирался на данные о том, что в ходе первых делений дробления яиц лошадиной аскариды происходит отбрасывание (элиминация) части хромосом в соматических клетках эмбриона. В дальнейшем было показано, что отбрасываемая ДНК содержит главным образом часто повторяющиеся последовательности, т.е. фактически не несущие информации. Позже были обнаружены и другие примеры изменения количества наследственного материала в соматических клетках как на геномном, так и на хромосомном и генном уровнях. Описаны случаи элиминации целых хромосом у циклопа, комара и у одного из представителей сумчатых. У последних из соматических клеток самки элиминируется Х-хромосома, а из клеток самца - У - хромосома. В результате соматические клетки у них содержат только по одной Х-хромосоме, а в линии половых клеток сохраняются нормальные кариотипы: XX или ХУ. В политенных хромосомах слюнных желез двукрылых ДНК может синтезироваться несинхронно, например при политенизации гетерохроматиновые участки реплицируются меньшее число раз, чем эухроматиновые. Сам процесс политенизации, напротив, приводит к значительному увеличению количества ДНК в дифференцированных клетках по сравнению с родоначальными клетками. Такой механизм репликации ДНК, как амплификация, также приводит к многократному увеличению количества некоторых генов в одних клетках по сравнению с другими. В овогенезе многократно увеличивается число рибосомальных генов, могут амплифицироваться и некоторые другие гены. Имеются данные о том, что в некоторых клетках в процессе дифференцировки происходит перестройка генов, например иммуноглобулиновых генов в лимфоцитах. Однако в настоящее время общепризнанной является точка зрения, ведущая начало от Т. Моргана, который, опираясь на хромосомную теорию наследственности, предположил, что дифференцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов. Таким образом, впервые прозвучала идея о дифферециальной экспрессии генов как основном механизме цитодифференцировки. В настоящее время собрано много доказательств того, что в большинстве случаев соматические клетки организмов несут полный диплоидный набор хромосом, а генетические потенции ядер соматических клеток могут сохраняться, т.е. гены не утрачивают потенциальной функциональной активности. Сохранение полного хромосомного набора развивающегося организма обеспечивается, прежде всего, механизмом митоза Проведенные цитогенетическим методом исследования кариотипов различных соматических клеток показали почти полную их идентичность. Цитофотометрическим способом установлено, что количество ДНК в них не уменьшается, а методом молекулярной гибридизации показано, что клетки разных тканей идентичны по нуклеотидным последовательностям. На этом основании цитогенетическии метод применяют для диагностики хромосомных и геномных болезней человека (хотя ошибки методов достигают 5- 10%), а метод гибридизации ДНК - для идентификации личности и установления степени родства. Помимо установленной количественной полноценности ДНК большинства соматических клеток большой интерес представляет вопрос о сохранении функциональных свойств содержащегося в них наследственного материала. Все ли гены сохраняют способность к реализации своей информации? О сохранении генетических потенций ядер можно судить по результатам опытов, проведенных над растениями и животными. Прошедшая длительный путь дифференцировки соматическая клетка моркови способна развиваться в полноценный организм. У животных отдельные соматические клетки после стадии бластулы, как правило, не способны развиваться в целый нормальный организм, но их ядра, будучи пересажены в цитоплазму овоцита или яйцеклетки, начинают вести себя соответственно той цитоплазме, в которой они оказались. Опыты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетку впервые были успешно осуществлены в 50-х гт. в США, а в 60-70 гг. получили широкую известность опыты английского ученого Дж. Гёрдона. Используя африканскую шпорцевую лягушку, он в небольшом проценте случаев получил развитие взрослой лягушки из энуклеированной яйцеклетки, в которую пересаживал ядро из эпителиальной клетки кожи лягушки или кишечника головастика, т.е. из дифференцированной клетки. Энуклеацию яйцеклетки проводили большими дозами ультрафиолетового облучения, что приводило к функциональному удалению, ее ядра. Для доказательства того, что в развитии зародыша участвует пересаженное ядро соматической клетки, применили генетическое маркирование. Яйцеклетку брали из линии лягушек с двумя ядрышками в ядре (соответственно двум ядрышковым организаторам в двух гомологичных хромосомах), а ядро клетки донора - из линии, имеющей в ядрах только одно ядрышко вследствие гетерозиготности по делеции ядрышкового организатора. Все ядра в клетках особи, полученной в результате трансплантации ядра, имели только одно ядрышко. Вместе с тем опыты Гердона обнаружили многие другие важнейшие закономерности. Во-первых, они еще раз подтвердили предположение Т. Моргана о решающем значении взаимодействия цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма. Во-вторых, в многочисленных экспериментах было показано, что чем старше стадия зародыша-донора, из клеток которого брали ядро для пересадки, тем в меньшем проценте случаев развитие оказывалось полностью завершенным, т.е. достигало стадий головастика, а затем лягушки. В большинстве случаев развитие останавливалось на более ранних стадиях. Анализ зародышей, останавливающихся в развитии после пересадки ядра, показал множество хромосомных аномалий в их ядрах. Другой причиной остановки развития считают неспособность ядер дифференцированных клеток к восстановлению синхронной репликации ДНК. Главный вывод, который вытекает из этого опыта, заключается в том, что наследственный материал соматических клеток способен сохраняться полноценным не только в количественном, но и в функциональном отношении, цитодифференцировка не является следствием недостаточности наследственного материала. Самым последним достижением в этой области является получение овечки Долли. Ученые не исключают возможности воспроизведения подобным же образом, т.е. путем пересадки ядер, генетических двойников человека. Следует, однако, отдавать себе отчет, что клонирование человека кроме научно-технологического имеет также этический и психологический аспекты. Гипотеза дифференциальной экспрессии генов в признак принимается в настоящее время в качестве основного механизма цитодифференцировки. Уровни регуляции дифференциальной экспрессии генов соответствуют этапам реализации информации в направлении ген > полипептид - признак и включают не только внутриклеточные процессы, но тканевые и организменные. Экспрессия гена в признак - это сложный этапный процесс, который можно изучать разными методами: электронной и световой микроскопией, биохимически и другими. Визуальное наблюдение в электронный микроскоп, как наиболее прямой подход к изучению уровня транскрипции, т.е. генной активности, проведено в отношении только отдельных генов - рибосомных, генов хромосом типа ламповых щеток и некоторых других. На электронограммах отчетливо видно, что одни гены транскрибируются активнее других. Хорошо различимы и неактивные гены. Особое место занимает изучение политенных хромосом. Политенные хромосомы - это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в интерфазных клетках некоторых тканей у мух и других двукрылых. Такие хромосомы есть у них в клетках слюнных желез, малышгиевых сосудов и средней кишки. Они содержат сотни нитей ДНК, которые редуплицировались, но не подверглись расхождению. При окраске в них выявляются четко выраженные поперечные полосы или диски. Многие отдельные полосы соответствуют местоположению отдельных генов. Ограниченное число определенных полос в некоторых дифференцированных клетках образует вздутия, или пуфы, выступающие за пределы хромосомы. Эти вздутые участки находятся там, где гены наиболее активны в отношении транскрипции. Изменения в клетках, происходящие в ходе развития, коррелируют с изменениями в характере пуфов и синтезом определенного белка. Других примеров визуального наблюдения генной активности пока нет. Все остальные этапы экспрессии генов являются результатом сложных видоизменений продуктов первичной генной активности. Под сложными изменениями подразумевают посттранскрипционные преобразования РНК, трансляцию и посттрансляционные процессы. Имеются данные по изучению количества и качества РНК в ядре и цитоплазме клеток организмов, находящихся на разных стадиях эмбрионального развития, а также в клетках различных типов у взрослых особей. Обнаружено, что сложность и число различных видов ядерной РНК в 5-10 раз выше, чем мРНК. Ядерные РНК, которые представляют собой первичные продукты транскрипции, всегда длиннее, чем мРНК. Кроме того, ядерная РНК, изученная на морском еже, по количеству и качественному разнообразию идентична на различных стадиях развития особи, а мРНК цитоплазмы отличается в клетках разных тканей. Это наблюдение приводит к мысли о том, что посттранскрипционные механизмы влияют на дифференциальную экспрессию генов. Примеры посттранскрипционной регуляции экспрессии генов на уровне процессинга известны. Мембранно-связанная форма иммуноглобулина у мышей отличается от растворимой формы дополнительной аминокислотной последовательностью, позволяющей мембранно-связанной форме «заякориватъея» в клеточной мембране. Оба белка кодируются одним локусом, но процессинг первичного транскрипта протекает по-разному. Пептидный гормон кальцитонин у крыс представлен двумя разными белками, детерминированными одним геном. У них одинаковые первые 78 аминокислот (при общей длине 128 аминокислот), а различия обусловлены процессингом, т.е. опять наблюдается дифференциальная экспрессия одного и того же гена в различных тканях. Есть и другие примеры. Вероятно, альтернативный процессинг первичных транскриптов играет очень важную роль в дифференцировке. Однако остается неясным его механизм. Большая часть мРНК цитоплазмы одинакова по качественному составу в клетках, относящихся к различным стадиям онтогенеза. мРНК необходимы для обеспечения жизнедеятельности клеток и детерминируются генами «домашнего хозяйства», представленными в геноме в виде нескольких нуклеотидных последовательностей со средней частотой повторяемости. Продуктами их активности являются белки, необходимые для сборки клеточных мембран, различных субклеточных структур и т.д. Количество этих мРНК составляет примерно 9/10 от всех мРНК цитоплазмы. Остальные мРНК являются необходимыми для определенных стадий развития, а также различных типов клеток. При изучении разнообразия мРНК в почках, печени и головном мозге мышей, в яйцеводах и печени кур было обнаружено около 12000 различных мРНК. Лишь 10-15% были специфичны для какой-либо одной ткани. Они считываются с уникальных нуклеотидных последовательностей тех структурных генов, действие которых специфично в данном месте и в данный момент и которые называются генами «роскоши». Количество их соответствует примерно 1000-2000 генов, ответственных за дифференцировку клеток. Не все гены, имеющиеся в клетке, вообще реализуются до этапа образования мРНК цитоплазмы, но и эти образовавшиеся мРНК не все и не во всяких условиях реализуются в полипептиды и тем более в сложные признаки. Известно, что некоторые мРНК блокируются на уровне трансляции, будучи в составе рибонуклеопротеиновых частиц - информосом, вследствие чего происходит задержка трансляции. Это имеет место в овогенезе, в клетках хрусталика глаза. В ряде случаев окончательная дифференцировка связана с «достройкой» молекул ферментов или гормонов или четвертичной структуры белка. Это уже посттрансляционные события. Например, фермент тирозиназа появляется у зародышей амфибий еще в раннем эмбриогенезе, но переходит в активную форму лишь после их вылупления. Другим примером является дифференцировка клеток, при которой они приобретают способность реагировать на определенные вещества не сразу после синтеза соответствующего рецептора, а только в определенный момент. Показано, что мышечные волокна в своей мембране имеют рецепторы к медиаторному веществу ацетилхолину. Интересно, однако, что эти холинорецепторы обнаруживали внутри цитоплазмы клеток-миобластов до образования ими мышечных волокон, а чувствительность к ацетилхолину возникала только с момента встраивания рецепторов в плазматическую мембрану во время образования мышечных трубочек и мышечных волокон. Этот пример показывает, что экспрессия генов и тканевая дифференцировка могут регулироваться после трансляции в процессе межклеточных взаимодействий. Таким образом, дифференцировка клеток не сводится только к синтезу специфических белков, поэтому применительно к многоклеточному организму эта проблема неотрывна от пространственно-временных аспектов и, следовательно, от еще более высоких уровней ее регуляции, нежели уровни регуляций биосинтеза белка на клеточном уровне. Дифференцировка всегда затрагивает группу клеток и соответствует задачам обеспечения целостности многоклеточного организма. Вопросы для самоконтроля:
Лекция №15. Теоретические и прикладные аспекты биологии развития. Общие вопросы: Экспериментальная эмбриология, или механика развития. Трансплантация эмбрионов. Теоретические и прикладные аспекты биологии развития. Искусственное оплодотворение вне организма. Конспект лекции: Несмотря на то что попытки проникнуть в суть эмбрионального развития предпринимались очень давно, однако экспериментальный метод в эмбриологии существует недавно - с конца XIX столетия. Основоположниками этого метода исследований в эмбриологии были Э. Геккель (1869) и В. Ру (1883), которые показали возможность развития организмов из изолированных бластомеров. После этих открытий экспериментальная эмбриология начала развиваться бурными темпами и существенно расширила наши представления о механике эмбрионального развития. Разрушая при помощи нагретой иглы один из двух бластомеров земноводных, В.Ру наблюдал, что из неповрежденного бластомера развивалась лишь половина зародыша. Эти наблюдения дали основание полагать, что в определенном месте оплодотворенной яйцеклетки заложены части будущего организма, и что сама яйцеклетка представляет собой мозаику из зачатков органов будущего индивидуума. Однако теория мозаичного развития В. Ру оказалась несостоятельной, поскольку она базировалась на несовершенной методике. Оказалось, что разрушенный бластомер земноводных мешал развитию неповрежденного бластомера. Усовершенствование техники разделения бластомеров показало, что на стадии 16 бластомеров у медуз из каждого бластомера развивается полноценный организм. Подобные результаты были получены при изучении развития позвоночных. Однако часто после изоляции бластомеров развивались дефектные зародыши. Эти данные дали основание эмбриологам разделить яйцеклетки на две группы: мозаичные и регуляционные. К мозаичным были отнесены яйцеклетки, при разделении бластомеров которых возникали дефектные зародыши, а к регуляционным - такие, из бластомеров которых при их изоляции развивались полноценные организмы. Детальное изучение этого явления показало, что не существует строго мозаичных и строго регуляционных яйцеклеток. У животных, яйцеклетки которых причисляли к мозаичным (кольчатые черви, асцидии, моллюски), закладка основных систем органов переместилась в процессе эволюции на ранние стадии эмбрионального развития. Это привело к очень ранней дифференциации материала яйцеклетки и бластомеров, в связи с чем, направление развития определенных частей яйцеклетки и отдельных бластомеров определяется, или детерминируется (ограничение, определение), очень рано. Под детерминацией понимают установление в онтогенезе таких взаимосвязей между частями зародыша, при которых клеточные комплексы зародыша проходят определенный путь развития. У животных, яйцеклетки которых относили к регуляционным (медузы, иглокожие, низшие хордовые, низшие и высшие позвоночные), закладка основных систем органов происходит на более поздних стадиях эмбриогенеза и при осторожном разделении бластомеров из последних развиваются полноценные организмы. Опыты по изоляции бластомеров дали возможность прийти к заключению, что первые дробления оплодотворенной яйцеклетки равнонаследственные. Следовательно, на ранних этапах дробления существуют условия для развития отдельных бластомеров, поскольку такое развитие тождественно эмбриональному развитию. Трансплантация эмбрионального материала. Под трансплантацией (через) понимают пересадку частей одного зародыша другому. Когда пересаживают части зародыша в иное место того же самого зародыша, то говорят об аутотрансплантации (сам). Если пересадка части зародыша осуществляется от одного зародыша другому, но того же вида, то такую пересадку называют гомотрансплантацией. Когда пересадка частей зародыша осуществляется от зародыша одного вида зародышу другого вида, но в пределах одного рода, то такую пересадку именуют гетеротрансплантацией (иной). Если пересаживают части зародыша у животных, которые весьма далеки друг от друга в систематическом отношении, то такую пересадку называют ксенотрансплантацией (чужой) или ксенопластикой. Зародыш, у которого берут клеточный материал для пересадки, называют донором, а зародыш, которому пересаживают, - реципиентом. Использование метода трансплантации дало возможность выяснить, что в процессе развития между частями зародыша существуют связи, которые оказывают воздействие на процессы формообразования. Гомотрансплантация у земноводных кусочка спинной эктодермы на место брюшной, а перемещение последней на место первой на стадии ранней гаструлы показала, что на новом месте эмбриональные зачатки развиваются соответственно своему новому окружению, т. е. теряют свою специфичность. Так, брюшная эктодерма входила в состав нервной трубки, а спинная эктодерма - в состав покровного эпителия. Таким образом, на стадии ранней гаструлы клеточный материал зародыша еще не имеет четкой дифференциации, он не детерминирован и поведение трансплантированных клеток в значительной мере обусловлено взаимосвязями с другими клетками. Аналогичная гомотрансплантация у земноводных в более поздние сроки, на стадии поздней гаструлы и нейрулы приводит к тому, что трансплантат развивается на новом месте соответственно своему происхождению, т. е. приобретает стабильную детерминацию. При изучении возникновения нервной системы у земноводных было замечено, что ее развитие тесно связано с клеточным материалом хорды и мезодермы. Подобное взаимодействие частей зародыша, когда в результате воздействия одних частей развиваются другие части, получило название индукции. Например, клеточный материал хордо-мезодермы будет индуктором, который стимулирует развитие нервной пластинки. Отдельные части зародыша, которые индуцируют развитие иных частей зародыша, Г. Шпеман предложил именовать организационными центрами. Со временем было обнаружено много организационных центров не только у земноводных. Естественно, что исследователей интересовала специфичность организаторов и индукторов. Изучение этого вопроса показало, что организаторы неспецифичны, так как ими могут быть даже мертвые клетки. Все попытки найти специфическое формообразовательное вещество оказались безуспешными, поскольку химические вещества различной природы давали одинаковый результат. Таким образом, исследования организационных центров свидетельствовали о том, что сама эктодерма способна к образованию нервной системы и эта способность проявляется лишь тогда, когда при помощи различных неспецифических агентов осуществляется запуск еще неизвестных нам механизмов. В этом отношении индукцию развития нервной системы можно сравнить с развитием неоплодотворенной яйцеклетки, в которой различными неспецифическими агентами можно вызвать кортикальную реакцию цитоплазмы и дробление. Искусственное оплодотворение вне организма. Большие успехи у нас в стране и за рубежом достигнуты в изучении механизмов искусственного оплодотворения яйцеклеток млекопитающих животных и человека. Разработаны методы активирования ферментов сперматозоидов, растворяющих оболочку яйца. Созданы искусственные растворы, в которых активирование ферментной системы сперматозоидов происходит так же, как в естественных условиях, и даже быстрее, а также искусственные среды, в которых проходит оплодотворение. Разработаны методы извлечения яйцеклеток из яичника млекопитающих животных и человека на стадии, предшествующей овуляции, а также методы имплантации оплодотворенной яйцеклетки в матку. Успехи экспериментальной эмбриологии позволили осуществить искусственное оплодотворение вне организма у 14 видов млекопитающих и человека. Яйцеклетки, оплодотворенные вне организма, продолжали свое развитие в организме, которое завершалось рождением новой особи. В последние годы экспериментальная эмбриология обогатилась новыми методами, позволяющими скрещивать различные виды животных, чего прежде никак не удавалось, так как этому препятствовала оболочка, окружающая яйцеклетку. Вопросы для самоконтроля:
3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ. Тема 1 Половые органы самцов. Семенник. Цель: Уяснить процесс эмбриональной закладки гонад, половых путей на индифферентной стадии и проявление признаков полового диморфизма. Изучить гистологическое строение семенника. Задание 1. Отметить в таблице, каким фазам сперматогенеза соответствуют указанные сперматогенные клетки.
жүктеу/скачать 1.56 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|