|
|
Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.161
Ядерна трансплантація (дослід Д. Гердона). Рис. 1.162
Вплив між частинами зародка (дослід Г. Шпемана).
248
Так, Г. Шпеман дійшов висновку, що верхня "губа" бластопора впливає на клітини ектодерми, спрямо вуючи їх розвиток на формування нервової трубки. Згодом були виявлені інші ділянки тіла зародка з ана логічним впливом на його частини. Ці ділянки були названі організаційними центрами а їх індукова ний вплив організаторами (або індукторами).
Реалізація індукції можлива тільки за умов, що клітини здатні сприймати вплив, тобто є компетен- тними. Компетенція клітин може змінюватися в часі
(виникати й зникати). На пізніших стадіях розвитку, коли диференціація уже почалася, пересадка цієї ділянки в іншу частину зародка не змінює його роз- виток, бо він вже повністю визначений. Це явище
незалежної, стабільної диференціації. У розвитку органів спостерігається перехід від залежної доне- залежної диференціації.
Подальші дослідження проблеми ембріональ- ної індукції йшли в напрямку визначення природи
індукторів.
Ще в 30 ті роки XX ст. американський вчений Ч. Чайлд висунув припущення про градієнт фізіоло гічної активності організму зародка. Було показано, що інтенсивність окиснювальних та інших метабо- лічних процесів поступово гальмується в напрямку від головного відділу до хвостового. Згідно з цими даними, розвиток органів у тій чи іншій частині за- родка визначається інтенсивністю метаболізму. Дані узгоджуються з положеннями школи Шпемана: дійсно, найбільш інтенсивний обмін речовин у гаст рули відбувається в ділянці верхньої "губи" бласто- пора, тобто в місці утворення нервової трубки.
X. Тидеман у 1970 році провів дослідження, які пказали роль взаємовідносин органів зародка на молекулярному рівні. Він виділив із зародків курчат
індуктори білкової природи. Один з них індукує структури нервової системи й органів чуття, інший м'язову систему. Вчений довів, що білки індуктори є вже у незаплідненому яйці, але вони знаходяться в неактивному стані через присутність інгібіторів, які стримують їх дію. Під час ембріонального роз витку змінюється іонний склад цитоплазми і зовніш- нього середовища, яке оточує клітину. Це призво- дить до виходу інгібіторів із клітини і цим інактива ція з індукторів знімається. В результаті цього індук тори входять в ядро і активують відповідні гени, що, усвою чергу, сприяє диференціюванню клітин і фор муванню органів і систем.
1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Морфогенез це процес виникнення нових структур і зміна їх форми в процесі онтогенезу. Морфогенез на клітинному рівні розпочинається з гаст- руляції. У хордових після гаструляції закладаються осьові органи (рис. 1.163). В цей період морфо- логічні перебудови охоплюють весь зародок. Потім відбувається закладка і розвиток окремих органів
(органогенез) (рис. 1.164). Це вже місцеві проце- си, всередині кожного з яких відбувається дискре- тизація на окремі зачатки. Так послідовно в часі і в просторі перебігає індивідуальний розвиток, що при- зводить до формування організму із складною бу- довою і значно багатшою інформацією, ніж гене- тична інформація зиготи. Морфогенез зв'язаний з багатьма процесами, починаючи з прогенезу. Поляризація яйцеклітини, овоплазматична сегрегація після запліднення, зако- номірно орієнтовані поділи дробіння, рух клітинних мас в процесі гаструляції і закладок різних органів, зміна пропорцій тіла все це процеси, які мають велике значення для морфогенезу. Таким чином, морфогенез багаторівневий ди- намічний процес. Сьогодні вже багато відомо про ті перебудови, які відбуваються на внутрішньоклі- тинному і міжклітинному рівнях і які перетворюють хімічну енергію клітин на механічну, тобто про еле- ментарні рушійні сили морфогенезу.
Ріст це збільшення загальної маси в процесі розвитку, яка призводить до постійного збільшення розмірів організму.
Ріст забезпечується наступними механізмами:
1) збільшенням розмірів клітин;
2) зростанням числа клітин;
3) накопиченням неклітинної речовини, продуктів життєдіяльності клітин.
Ріст відбувається на клітинному, тканинному, органному та організмовому рівнях. Збільшення маси цілого організму віддзеркалює ріст його органів, тканин і клітин.
Розрізняють два типи росту обмежений і необ- межений. Необмежений ріст триває впродовж усьо- го періоду онтогенезу аж до смерті (наприклад, риби). При обмеженому рості ріст відбувається 249 1 . 3 . 3 . 4 Механізми росту та морфогенезу
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.163
Поперечний розріз ембріона: 1
невральні складки 2
перикардіальна ділянка; 3, 5
соміти; 4 нервова трубка 6
хорда 7
кишка. Рис. 1.164
П'ятитижневий ембріон: 1
оптичний пухирець; 2
пуповина 3 хвіст; 4
зачаток нижніх кінцівок; 5 шлунково кишковий тракт
6
печінка; 7 серце; 8 зачаток верхніх кінцівок; 9 мозок.
250
1.3. Онтогенетичний рівень організації життя вивчити генетику індивідуального розвитку, вчені широко використовують метод експериментальної мутації. Виявивши мутації, які змінюють онтогенез, дослідник порівнює фенотипи мутантних особин з нормальними. Це дозволяє зрозуміти, як даний ген впливає на нормальний розвиток. За допомогою складних методів намагаються визначити час і місце дії гена. Аналіз генетичного контролю ускладнюється рядом причин, насамперед, тим, що роль генів неод- накова. Частина геному складається із генів, які визначають життєво важливі функції або відпові- дають за синтез речовин, без яких неможливе фун- кціонування жодної клітини (наприклад, гени, що відповідають за синтез т РНК, або ДНК поліме рази. Інші гени безпосередньо беруть участь у детермінації, диференціюванні і морфогенезі, тоб- то функція їх більш специфічна. Для аналізу гене- тичного контролю необхідно також знати місце пер- винної дії гена. Наприклад, при вторинній (від- носній) плейотропії існує одне первинне місце дії мутантного гена гемоглобін в еритроцитах, а всі інші симптоми, які спостерігаються при цій пато- логії (серцева недостатність, збільшення селезін- кита ін.) розвиваються як наслідок дії аномального гемоглобіну. Аналіз мутацій ускладнюється також тим, що розвиток кожного органа і системи органів конт- ролюється сукупною координованою дією сотень генів. У людини відомо понад 120 форм спадкової глухоти, які виникають у результаті експресії му- тантних генів, що відповідають за формування слухового аналізатора. Описано близько 250 спадко- вих уражень зорового аналізатора, 150 спадкових аномалій скелета та ін. Про значення генетичного контролю онтогенезу також свідчать численні хво- роби, пов'язані з геномними та хромосомними му- таціями. Крім експериментальних мутацій, існує цілий ряд інших методів, які дозволяють вивчити роль генів в індивідуальному розвитку. Це методи генної інже- нерії, клонування, біохімічного аналізу, імунологічні таін. Дослідження генетичного контролю онтогенезу має важливе значення для медицини, оскільки це дозволить у майбутньому суттєво знизити рівень спадкової патології. 251 1.3.3.5 Генетичний контроль розвитку Одним із центральних питань медичної біології є генетичний контроль розвитку. В цілому генетич ний контроль онтогенезу є очевидним, однак його механізми ще не повністю з'ясовані. Для того, щоб
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Диференціювання це процес, внаслідок якого клітина стає більш спеціалізованою, тобто набуває морфологічних і функціональних особливостей. Це зміни, які відбуваються у клітині впродовж одного, нерідко термінального, клітинного циклу. Прикладом може бути диференціювання клітин епідермісу шкіри людини, при якому у клітинах, що переміщуються з базального шару до вищих шарів, відбувається на- копичення кератогіаліну, який перетворюється у клітинах блискучого шару в елеїдин, а потім у роговому шарі в кератин. При цьому змінюється форма клітин, будова клітинних мембран і набір орга нел. Насправді диференціюється не одна клітина, а група подібних клітин. Прикладів можна навести багато, оскільки в організмі людини налічується близько 100 видів різних типів клітин. Фібробласти синтезують колаген, міобласти міозин, клітини епі- телію травного тракту пепсин і трипсин. У більш широкому розумінні під диференціюван- ням розуміють поступове наростання відмінностей і спеціалізації між клітинами, які походять від однорідних клітин. Перші хімічні та морфогенетичні відмінності між клітинами відбуваються в період гаструляції. Зародкові листки та їхні похідні є прикладом ран- нього диференціювання, яке призводить до обме- ження потенцій клітин зародка. Можна виділити цілий ряд ознак, які характеризу- ють ступінь диференціації клітин. Так, для недиферен ційованого стану характерні відносно велике ядро і ви- соке ядерно цитоплазматичне співвідношення, диспер- гований хроматин і добре виражене ядерце, численні рибосоми та інтенсивний синтез РНК, висока міто- тична активність і неспецифічний метаболізм. Всі ці ознаки змінюються в процесі диференцію- вання, характеризуючи клітинну спеціалізацію. Про- цес, внаслідок якого окремі тканини в ході дифе- ренціювання набувають характерного для них ви- гляду, називають гістогенезом. Диференціювання клітин під час онтогенезу є результатом послідовних реципрокних (взаємних) впливів цитоплазми і змінених продуктів активності ядерних генів. Таким чином, диференціальна експресія генів є основним механізмом цитодиференціювання. 252 У ряді випадків остаточне диференціювання по- в'язане з "добудовою" молекул ферментів або гор- монів. Це вже посттрансляційні події. Наприклад, фермент тирозиназа з'являється у зародків амфібій ще в ранньому ембріогенезі, але переходить в ак- тивну форму лише після їх вилуплення. Іншим прикладом є диференціювання клітин, при якому вони набувають здатності реагувати на хімічні речовини не відразу після синтезу відповідного рецептора, а лише в певний момент. Показано, що м'я- зові волокна у своїй мембрані мають рецептори до медіаторної речовини ацетилхоліну. Цікаво, що ці хо лінрецептори виявляли всередині цитоплазми клітин міобластів до утворення ними м'язових волокон, а чутливість до ацетилхоліну виникала лише з моменту вбудовування рецепторів у плазматичну мембрану під час утворення м'язових трубочок і м'язових волокон. Цей приклад показує, що експресія генів і тканинне диференціювання можуть регулюватися після трансляції у процесі міжклітинних взаємодій. Таким чином, диференціювання клітин не зво- диться лише до синтезу специфічних білків, тому стосовно багатоклітинного організму ця проблема повязана з просторово часовими аспектами і більш високими рівнями її регуляції, ніж біосинтез білка на клітинному рівні. 1.3.3.6 Диференціювання клітин, зародкових листків, тканин 1.3.3.7 Пренатальний період розвитку людини • особливості • критичні періоди Експериментальне вивчення розвитку тварин показало, що впродовж як онтогенезу взагалі, так і ем- бріогенезу зокрема існують періоди, коли зародок найбільш чутливий до пошкодження різноманітними факторами, які можуть порушувати нормальний роз- виток. Ці періоди отримали назву критичних, тобто це періоди найменшої стійкості (резистентності) за- родків до факторів зовнішнього середовища. Російський ембріолог П. Г. Свєтлов у 1960 ρ сформулював теорію критичних періодів розвитку і перевірив її експериментально. Суть цієї теорії по- лягає в утвердженні загального положення, що кож ний етап розвитку зародка в цілому і його окремих органів починається відносно коротким періодом якісно нової перебудови. Ця перебудова супровод- жується детермінацією, проліферацією і диференці- юванням клітин. У критичні періоди у зародків ак- тивується метаболізм, різко посилюється дихання, змінюється вміст РНК, виявляються нові білки й одночасно гальмується темп росту. В цей час емб- ріон найбільш чутливий і сприйнятливий до пошкод- жуючої дії різної природи. Так, у розвитку риб вияв-
---о три критичні періоди: перший на початку або посередині дроблення; другий на початку гастру ляції і третій на стадії формування осьових органів.
Ікринки на цих стадіях розвитку особливо чутливі до нестачі кисню, високої або низької температур, механічних впливів тощо.
Всебічне вивчення критичних періодів показує, що вони співпадають з активним морфологічним ди ференціюванням, з переходом від одного періоду розвитку до іншого, зі зміною умов існування за- родка. Так, перехід зиготи до дроблення створює для зародка інші умови взаємозв'язку в організмі. Те ж саме відбувається з настанням гаструляції. У ссавців імплантація бластоцисти у стінку матки теж є критичним періодом переходом до нових умов живлення і газообміну (рис. 1.166). Розвиток пла центи й перехід до плацентарного живлення і газо обміну являють собою новий переломний етап у житті зародка і потребують нових пристосувань. Є підстави вважати, що різні гени починають функціонувати на різних стадіях ембріогенезу, які співпадають з критичними періодами. Такого вис- новку дійшли на підставі того, що під впливом по шкоджувальних факторів фізичної й хімічної приро- ди виникають порушення нормального розвитку, які нагадують собою мутації. Російський дослідник Й. А. Рапопорт дією різноманітних хімічних речо вин на личинки дрозофіли в різні періоди розвитку домігся модифікаційних змін, які імітують мутації. Так, у дослідах з солями срібла у дрозофіли отри мали великий відсоток особин з жовтим тілом, таких самих, як при відповідній мутації.
Що стосується людини, тов її ембріональному розвитку Π. Γ. Свєтлов розрізняє такі критичні пері
оди: прогенез (а саме стадія мейозу, запліднення,
імплантація, під час якої проходить гаструляція, ди- ференціювання зародкових листків і закладка осьо
1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Рис. 1.166
Імплантація бластоцисти в ендометрій: 1
порожнина бласто-
цисти; 2
клітини ендометрія; 3 залоза; 4 капіляр; 5 трофобласт.
вих органів, плацентація, органогенез і період по- логів. З останнім критичним періодом в організмі новонародженого пов'язані різкі зміни умов існуван- ня і перебудова діяльності всіх систем організму
(змінюється характер кровообігу, газообміну, жив- лення тощо). Крім того, відмічені критичні періоди розвитку окремих органів на різних етапах життя ембріона людини. Вивчення критичних періодів в ем- бріогенезі показує необхідність захисту материнсь- кого організму від шкідливих факторів, особливо на ранніх стадіях вагітності. Умови існування зародка в цей час позначаються на його ембріональному роз- витку, а, отже, на всьому наступному періоді життя.
253
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини і . 3 . 3 . 8
Фактори середовища,
що викликають
порушення розвитку
Чинники, які викликають зміни розвитку (аномалії, від грец. τέρατος потвора, чудовисько), назива- ються тератогенами. Наука про природжені ано- малії називається тератологією. Природжені ано- малії або уроджені вади розвитку це тератоми.
Тератогени діють упродовж певних критичних періодів. Для будь якого органа найбільш критич- ним періодом є час його росту й утворення специ- фічних структур. Різні органи мають різні критичні періоди. Серце формується між 3 м і 4 м тижнями.
Головний мозок і скелет чутливі до шкідливих впли- вів постійно, починаючи з 3 го тижня після заплід- нення до кінця вагітності, (рис. 1.167).
Існує дуже багато тератогенів. Одні фактори викликають генні мутації. Іонізуюча радіація, лі- карські препарати призводять до розриву хромосом і зміни структури ДНК. До тератогенів можна віднести деякі віруси. У жінок, які перенесли краснуху в першій третині вагіт- ності, у кожному з шести випадків народжувалися діти з катарактою, серцевими вадами і глухотою.
Чим раніше вірус краснухи уражає вагітну жінку, тим більший ризик, що постраждає зародок.
Тератогенну дію мають найпростіші з класу спо- ровиків токсоплазма. Якщо мати хвора на токсоплазмоз, то через плаценту токсоплазми можуть потрапити у зародок і викликати ураження мозку і очей. Багато ліків здатні викликати вади розвитку.
Наприклад, хінін може спричинити глухоту. Дуже слабкий транквілізатор талідомід широко викорис- товувався ух роках XX ст. Він здатен виклика- ти вади, при яких довгі кістки кінцівок або відсутні, або різко деформовані, в результаті чого утворю- ються кінцівки, які нагадують плавці тюленя. У Рис. 1.167
Чутливість зародка людини до дії тератогенних факторів (темними відрізками позначені періоди найбільшої чутливості, світлими
найменшої чутливості).
254
1.3. Онтогенетичний рівень організації життя жінок, які приймали талідомід, народилося понад 7000 дітей із вадами. Талідомід сприяв утворенню вад серця, відсут- ності вушних раковин, появі деформованих кишок. Було встановлено, що талідомід проявляє тератоген ний ефект у період між 20 і 36 добою після заплід- нення. При застосуванні між 34 ю і 3 8 ю добою він не індукує розвитку вад кінцівок, але може призвес ти до редукції чи відсутності компонентів вуха. При ранньому прийомі талідоміду аномалії верхніх кінцівок спостерігалися частіше, ніж аномалії нижніх, оскільки у процесі розвитку руки формують ся дещо раніше ніг (рис. 1.168). Дуже шкідливо на ембріон, що розвивається, впливає алкоголь і паління. При вживанні вагітними алкоголю в кількості, більшій ніж 50 85 г на добу, у дітей спостерігається відставання у фізичному і ро зумовому розвитку (рис. 1.169). У жінок, що па лять (20 і більше цигарок на добу), часто народжу ються діти з меншою масою тіла, ніж у жінок, що не палять. Паління значно знижує кількість і рух ливість сперматозоїдів у сім'яниках чоловіків, які випалюють більше, ніж 4 цигарки надень. Багато із штучно створених речовин, які вико ристовуються в господарстві людиною, також мать тератогенну дію. Наприклад, пестициди й органічні речовини, які містять ртуть, викликають неврологічні розлади й аномалії поведінки у дітей, матері яких під час вагітності вживали їжу, що містила ці речовини. У 1965 році одна з японських фірм скинула ртуть в озеро. Ртуть потрапила у рибу, якою харчувалися мешканці Мінамата, серед них і вагітні жінки, що спричинило народження сліпих дітей, з ушкоджен нями головного мозку. Ці уроджені вади були на- --ані хворобою Мінамата. Викликати вади розвитку може патологічний стан здоров'я матері. Однією з причин уроджених вад можна вважати гіпоксію. Гіпоксія в період органо генезу гальмує плацентацію, розвиток зародка, і в ряді випадків, призводить до появи природжених вад та загибелі плоду. Неповноцінне харчування матері, дефіцит мікро- елементів, наприклад, цинку, призводить до розвит ку вад центральної нервової системи, гідроцефалії, мікро та анофтальмії, викривлення хребта, вад сер ця ТОЩО. Рис. 1.168 Відсутність рук як наслідок талідомідної ембріопатГГ. Ендокринні захворювання у вагітних часто спри- чиняють мимовільний аборт чи порушення морфо- логічної і функціональної диференціації органів плода, які визначають високу ранню дитячу смертність. Тератогенний ефект доведено для цукрового діа- бету. Діабетична ембріопатія проявляється комплексом уроджених вад, з яких 37 % вади кістко- во м'язової системи, 24 % вади серця і судин, 14 % вади центральної нервової системи. Вади розвитку дітей при цукровому діабеті матері спостерігають- ся у 6 % випадків. Відома залежність стану здоров'я дітей від віку батьків. Наприклад, уроджені вади опорно рухової і 255
|
|
|
Скачать 14.51 Mb.