Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
15 Вступ Медична біологія як наука про основи життєдіяльності людини Біологія (від грец. bios життя, logos наука) наука про життя, про загальні закономірності існування і розвитку живих істот: життєві процеси, що в них відбуваються, хід їх життєвих циклів, взаємозв'язок з оточуючим середовищем, походження, історичний та індивідуальний розвиток живих організмів. Термін "біологія" був вперше вжитий в 1797 р. німецьким професором анатомії Теодором Рузом (1771 1803), пізніше в 1800 р. термін застосував професор Дерптського університету К.Бурдах (1776 1847), а в 1802 р. Ж . Б. Ламарк (1744 1829) і Л. Тревіранус (1779 1864). Біологія як наука виникла за необхідності пізнання людиною оточуючої природи, у зв'язку з матеріальними умовами життя суспільства, розвитку виробничих відносин, медицини, практичних потреб людини. Теоретичний фундамент біології був закладений еволюційним вченням Дарвіна, клітинного теорією Шванна і целюлярною патологією Вірхова. Сучасна біологія це складний високодиференційований комплекс фундаментальних і прикладних досліджень живої природи. Спираючись на новітні досягнення фізики, хімії, техніки, вдалося розв'язати чимало медико біологічних проблем, проникнути у глибини клітини, отримати принципово нові відомості про процеси, що розгортаються в клітині за умов норми і при патології. Складовою біології є медична біологія наука про людей, їх походження, еволюцію, географічне поши- рення, чисельність людських популяцій, структуру в просторі і часі. Медична біологія вивчає спадковість людини, її генетичну систему, генотипні та індивідуальні відмінності людей, їх екологію, фізіологію, особливості поведінки. Вплив молекулярно генетичних, клітинних, онтогенетичних, популяційних, екологічних факторів на здоров'я людини Генетичний апарат клітини забезпечує біохімічні, імунологічні, фізіологічні і морфологічні властивості організму. Взаємодія генотипу і середовища лежить в основі нормального функціонування біологічних систем, зумовлює різні механізми життєдіяльності і в кінцевому результаті здоров'я людини. Патологічні чинники, дії яких зазнає організм, призводять до змін нуклеотидної послідовності молекул ДНК, що супроводжується зрушенням первинної (амінокислотної) структури білка або регуляції його синтезу. Патологічні зміни, які відбуваються на молекулярному, клітинному, тканинному, органному, системному рівнях, можуть віддзеркалюватися на організмовому рівні (грубі генетично зумовлені вади роз- витку, травматичні пошкодження та ін.) Проте у більшості випадків за участі захисних механізмів такі первинні молекулярні пошкодження не досягають організмового рівня. Вони або компенсуються, купіруються, нейтралізуються, або усуваються репаративними процесами, що забезпечує збереження гомеостазу та здоров'я людина залишається практично здоровою. Коли такі компенсаторні реакції організму зазнають порушення, тоді виникає хвороба. Вивчення патологічних явищ на внутрішньоклітинному, тканинному, органному і системному рівнях сприяє формуванню клінічного мислення, опануванню принципів діагностики і лікувальної тактики практичного лікаря. Значення біологічних знань для розуміння суті хвороб, охорони здоров'я людей, науково обгрунтованого ставлення до природи та її охорони Сучасні наукові уявлення про оточуючий світ виникали внаслідок створення і використання нових ме- тодів дослідження. Завдяки запровадженню новітніх технологій вивчено гени, фізичну і хімічну будову високополімерних молекул, найдрібніші внутрішньоклітинні утворення. Стало можливим розкриття склад- них біологічних явищ(обміну речовин, спадковості, життєвої діяльності), виділення окремих складових цих явищ та їх аналіз. Вивчення різноманітних форм і рівнів організації живого дозволяє розкрити та поглибити знання щодо структурних, функціональних, генетичних та інших особливостей людського організму. Біологія людини 16 Вступ пише портрет людства на тому ж полотні, на якому змальовані представники тваринного царства. Люди- на невіддільна від природи. З перевідкриттям законів Г. Менделя у 1900 р. виникла можливість систематизації спадкових хвороба успадкування моногенних хвороб безперервно підтверджує закони Г. Менделя. Вивчення геному бак- терій, дрозофіли, миші сприяло їх запровадженню в генетику і реалізації програми "Геном людини", скла- дено каталог генів людини, сформульовано поняття про генетичну гетерогенність спадкових хвороб та ін. Доведено, що мутагенні фактори (фізичні, хімічні, біологічні) викликають схожі зміни генетичного мате- ріалу і є етіологічними чинниками геномних, хромосомних і генних мутацій. Несприятливий вплив мутацій може призвести до загибелі на різних стадіях онтогенезу (внутрішньоутробна загибель, рання постнатальна смертність та ін.) Близько 50 % всіх спонтанних абортів зумовлено генетичними факторами. Наукові знання дозволяють розкрити взаємодію біологічних і соціальних факторів у виникненні пато- логії людини. Людина зазнає негативного впливу нових факторів навколишнього середовища, які можуть змінити рівень мутаційного процесу або змінити прояв генів, що в кінцевому результаті призводить до появи спадкової патологи. Захистити геном людини від шкідливих антропогенних впливів різного походження одне з завдань медичної біології. Застосування методів клітинної інженерії і досягнень щодо використання генів і клітин рідкісних тва- рин і рослин, створення відповідних банків генетичного матеріалу дозволить зберегти унікальний живий світ нашої планети. Біологічна природа людини У людини поєднуються риси біологічної і соціальної істоти як об'єктивний результат антропогенезу та історії людства. Біологічні процеси, які відбуваються в організмі людини, підпорядковані механізмам функціонування на всіх рівнях організації життя, забезпечують різні ланки життєдіяльності та розвитку і складають біоло- гічну сутність людства. Крім схожості основних рис морфології, функції різних систем організму людини і тварин, зокрема ссавців, тотожність спостерігається і на рівні розвитку патологічних процесів. Так, мутації у тварин за проявами схожі на спадкові хвороби людини (гемофілія, ахондроплазія, м'язова дис- трофія та ін.) Людина входить в систему органічного світу. Проте в процесі антропогенезу сформувалася соціальна сутність людей, історичні напрямки розвитку людства. У людини як соціальної істоти втратилася вирішальна роль природного добору у видоутворенні, роз- ширилося спадкове розмаїття людських популяцій, збільшився їх поліморфізм. Масштабності таких змін серед тваринного світу не спостерігається. Поєднання соціальної сутності людини та збереження біологічних рис її будови і функцій призвело до змін індивідуального розвитку людей, до відмінності людини як істоти від інших тварин. Соціальна про- грама людства реалізується в процесі виховання та навчання людини, формування соціальних груп та екологічних спільнот людей. 17 Розділ 1 БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ людини У розділі розглядаються молекулярно генетичний, клітинний та онтогенетичний рівні організації життя з ура- хуванням специфіки організму людини, біології клітини, роз- множення та основи генетики людини. Матеріал викла- дено таким чином, щоб от- римані знання були тісно по- в'язані з подальшим вивчен- ням спадкової патології на теоретичних та клінічних кафедрах і могли бути вико- ристані лікарем в його прак- тичній діяльності. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи 1 . 1 . 1 . Життя як космічне і природне явище. 1.1.2. Клітинна та неклітинна форми органічного світу. 1.1.3. Основні властивості життя: обмін речовин та енергії, здатність протистояти наростанню ентропії, подразливість, самооновлення, саморегуляція, са- мовідтворення, спадковість і мінливість, ріст та роз- виток, дискретність і цілісність. 1.1.4. Стратегія життя: стійка здатність до переда- вання інформації та її реалізації, адаптація до умов навколишнього середовища, поступальний роз- виток. 1.1.5. Еволюційно зумовлені структурні рівні органі- зації життя: молекулярно генетичний, клітинний, он- тогенетичний (організмовий), популяційно видовий, біогеоценотичний, біосферний; елементарні струк- тури рівнів та основні біологічні явища, що їх харак- теризують. Значення уявлень про рівні організації живого для медицини. 1.1.6. Особливе місце людини в системі органічного світу. Співвідношення фізико хімічних, біологічних і соціальних явищ у життєдіяльності людини. 20 У середині XX ст. в біології склалося уяв- лення про рівні організації як конкретне вира- ження впорядкованості, що є однією з основних властивостей живого. Життя на нашій планеті існує у вигляді дис- кретних одиниць організмів, особин. Кожний організм, з одного боку, складається з одиниць підпорядкованих йому рівнів організації (органів, тканин, клітин, молекул, з другого сам є одиницею, яка входить до складу біоло- гічних макросистем над організмом (популяцій, біогеоценозів, біосфери в цілому). На всіх рівнях життя проявляються такі його атрибути, як дискретність і цілісність, структур- на організація, обмін речовин, енергії, інфор- мації тощо. Характер проявів основних влас- тивостей життя накожному з рівнів має якісні особливості й упорядкованість. 1.1 1.1. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи 1.1.1 Життя як космічне і природне явище 1.1.2 Життя як біологічна форма руху матерії найбільш складна форма Всесвіту. Воно існує на космічному тілі планеті Земля впродовж трива- лого історичного періоду. Одним з перших вчених, який з'ясував основи планетарно космічної органі- зації життя, був видатний вітчизняний дослідник В. І. Вернадський. За різними оцінками, вік Землі близько 4,5 млрд. років. Життя на Землі триває близько 4 млрд. років. Таким чином, становлення нашої планети і виникнен- ня на ній життя в космічних вимірах часу відбувало- ся майже одночасно. Вочевидь, подальша еволюція систем проходила за їх тісної взаємодії й мала взає мозумовлений характер. Біолог і геохімік В. І. Вер- надський (рис. 1.1) глибоко усвідомив це явище. Він створив нову галузь знань науку про Землю. Ця наука поєднує геологію, геохімію і гідрохімію, ґрун- тознавство, географію і, звичайно, біологію. Принци- пово новий підхід полягав у тому, що вчений об'єднав біоту живу речовину, і сферу її існування косну ре- човину, в єдине ціле біосферу, живу оболонку Землі. Жива речовина становить всю сукупність жи- вих організмів планети, що існують у даний момент, незалежно від систематики. Вона біохімічно над- звичайно активна і повязана з неживою природою неперервними біогенними потоками атомів і молекул під час реалізації своїх головних функцій жив- лення, дихання, виділення, розмноження. Жива ре- човина набула та вдосконалила унікальну здатність сприймати, акумулювати і трансформувати космі- чну енергію Сонця. Таким чином, впродовж ево- люції Землі виник потужний фактор, що визначив хід наступних глобальних перебудов її поверхні. Як зазна- чав В. І. Вернадський, Земля на сучасному історич- ному етапі її ландшафти, газовий склад атмосфери, хімізм океанів це результат роботи живої речовини. Вона надала планеті унікальності не лише в масштабах Сонячної системи, але, ймовірно, і галактики. У максимальному наближенні життя це глобальна планетарна самовпорядкована, енергетич- нота інформаційно відкрита система, що являє собою велике розмаїття форм єдиної у фізико хімічно му відношенні живої речовини. У всьому розмаїтті органічного світу можна ви- ділити дві форми неклітинну і клітинну. Неклітинні форми органічного світу. Доне- клітинних належать віруси, які утворюють групу Віра (Vira). Віруси проявляють життєдіяльність тільки у стадії внутрішньоклітинного паразитизму. Дуже малі розміри дозволяють їм легко проходити крізь будь які фільтри, у тому числі каолінові, знай дрібнішими порами, тому спочатку їх називали фільтрівними вірусами. Існування вірусів було доведено в 1892 р. російським ботаніком Д. І. Іва новським (1864 1920), але побачили їх багато пізніше. Більшість вірусів субмікроскопічних розмірів рис. 1.2), тому для вивчення їхньої будови корис- туються електронним мікроскопом. Найдрібніші віруси наприклад, збудник ящуру ненабагато пе- ревищують розміри молекули яєчного білка, проте Рис. 1.1 Володимир Іванович Вернадський ( 1 8 6 3 1 9 4 5 ) . 21 Клітинна та неклітинна форми органічного світу Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини зустрічаються і такі віруси (збудник віспи), які можна бачити у світловий мікроскоп. Зрілі частинки вірусів віріони, або віроспори, складаються з білкової оболонки і нуклеокапсиду, в якому зосереджений генетичний матеріал нуклеї- нова кислота. Одні віруси містять дезоксирибонук- леїнову кислоту (ДНК, інші рибонуклеїнову (РНК. На стадії віроспори ніяких проявів життя не спосте- рігається. Тому немає єдиної думки, чи можна віруси на цій стадії вважати живими. Деякі віруси можуть утворювати кристали подібно до неживих речовин, проте, коли вони проникають у клітини чутливих до них організмів, то виявляють всі ознаки живого. Таким чином, у формі вірусів проявляється ніби "перехідний міст", що зв'язує в єдине ціле світ організмів і неживі органічні речовини. Вірус являє собою діалектичну єдність живого і неживого поза клітиною це речовина, у клітині це істота, тобто він одночасно і нежива речовина, і жива істота. Віро спора лише одна із стадій існування вірусу. У житті вірусів можна виділити такі етапи: прикріплен- ня вірусу до клітини, вторгнення в неї, латентну ста- дію, утворення нового покоління вірусів, вихід віро спор. У період латентної стадії вірус ніби зникає. Його не вдається побачити або виділити з клітини, але в цей період вся клітина синтезує необхідні для вірусу білки і нуклеїнові кислоти, в результаті чого утворюється нове покоління віроспор. Описано сотні вірусів, які викликають захворю- вання у рослин, тварин і людини. До вірусних хво роб людини відносять сказ, віспу, тайговий енцефаліт, грип, епідемічний паротит, кір, СНІД та ін. Віруси, які пристосувалися до паразитування у клітині бактерій, називаються фагами За своєю будовою фаги складніші від вірусів, що паразиту ють у клітинах рослин і тварин. Багато фагів ма ють пуголовкоподібну форму, складаються з головки і хвоста. Внутрішній вміст фага це переважно ДНК, а білковий компонент зосереджений в основному у так званій оболонці. Фаги проникаючи у певні види бактерій, розмножуються і викликають роз чинення (лізис) бактеріальної клітини. Іноді проникання фагів у клітину не супрово джується лізисом бактерії, а ДНК фага включаєть ся у спадкові структури бактерії і передається її на щадкам. Це може продовжуватися впродовж ба гатьох поколінь бактеріальної клітини, яка сприйня ла фаг. Такі бактерії називають лізогенними. Під впливом зовнішніх факторів, особливо іонізуючого випромінювання, фагу лізогенних бактеріях почи нає проявляти себе, і бактерії зазнають лізису, їх ви користовують для вивчення явищ спадковості на мо пекулярному рівні. Походження вірусів не з'ясоване. Одні вважа ють їх первинно примітивними організмами, які є основою життя. Інші схиляються до думки, що віру- си походять від організмів, які мали більш високий ступінь організації, але дуже спростилися у зв'язку з паразитичним способом життя. Очевидно, у їхній еволюції мала місце загальна дегенерація, що при Клітина прокаріотів (мікрофотографія): 1 нуклеоїд; 2 клітинна мембрана 3 цитоплазма. 22 Вірус імунодефіциту людини (мікрофотографія). Рис 1.2 Рис 1.3 1.1. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи звела до біологічного прогресу. Нарешті, існує і третя точка зору: віруси група генів або фрагментів інших клітинних структур, які набули автономності. Клітинні форми життя. Основну масу живих істот складають організми, які мають клітинну бу- дову. У процесі еволюції органічного світу клітина набула властивостей елементарної системи, в якій можливий прояв усіх закономірностей, що характе- ризують життя. Клітинні організми поділяють на дві категорії: ті, що не мають типового ядра доядерні, або про- каріоти (Procaryota) (рис. 1.3), та ті, які мають ядро ядерні, або еукаріоти (Eucaryota) (рис. 1.4). До прокаріотів належать бактерії та синьозелені во- дорості, до еукаріотів більшість рослин, гриби і тварини. Встановлено, що різниця між одноклітин- ними прокаріотами й еукаріотами більш суттєва, ніж між одноклітинними еукаріотами та вищими росли- нами і тваринами. Прокаріоти доядерні організми, які не мають типового ядра, оточеного ядерною оболонкою. Ге- нетичний матеріал представлений генофором ниткою ДНК, яка утворює кільце. Ця нитка не на- була ще складної будови, що характерно для хромосому ній немає білків гістонів. Поділ клітини простий, але йому передує процес реплікації. У клітині прокаріотів відсутні мітохондрії, центріолі, пластиди, розвинена система мембран. Із організмів, що мають клітинну будову, найбільш примітивні мікоплазми (рис. 1.5). Це Рис 1.4 Клітина еукаріотів (мікрофотографія): 1 ядро 2 клітинна мембрана 3 цитоплазма 4 ортанели та включення. подібні до бактерій організми, що ведуть парази- тичний або сапрофітний спосіб життя. За розміра- ми мікоплазми наближаються до вірусів. На відміну від вірусів, у яких процеси життєдіяльності відбува- ються тільки після проникнення у клітину, мікоплаз- ми здатні жити, як і інші організми, що мають клітин- ну будову. Ці бактеріоподібні організми можуть рос- ти і розмножуватися на синтетичному середовищі, їхня клітина побудована з порівняно невеликої кількості молекул (близько 1200), але має повний набір макромолекул, що характерні для будь яких клітин (білки, ДНК, РНК) і містить близько 300 різ- них ферментів. За деякими ознаками клітини мікоплазми стоять ближче до клітин тварин, ніж до рослин. Вони нема- ють твердої оболонки, оточені гнучкою мембраною, склад ліпідів близький до тваринної клітини. Бактерії (рис. 1.6) та синьозелені водорості об'єднані в підцарство Дроб'янки. Клітина типових дроб'янок вкрита оболонкою із целюлози. Дроб'ян- ки відіграють суттєву роль у кругообігу речовин у природі: синьозелені водорості як синтетики орган- ічної речовини, бактерії як мінералізатори її. Ба- гато бактерій мають медичне і ветеринарне зна- чення як збудники хвороб. Еукаріоти ядерні організми, які мають ядро, оточене ядерною мембраною. Генетичний матері- ал зосереджений переважно у хромосомах, які скла- даються з ниток ДНК та білкових молекул. Ділять- ся ці клітини мітотично. Є центріолі, мітохондрії, |