итоговая. 1. Жизненный цикл организма от зародыша до смерти
 Скачать 29.39 Kb.
|
|
1 1. Жизненный цикл организма от зародыша до смерти. Что такое - жизнь? Соленая вода, Что форму обрела в пространстве клетки, Не знающей покоя никогда. Но кто ее патрон? Он не оставил метки… Джон Мейсфилд Все рожденное обречено на смерть. В материальном мире мы не знаем вроде бы ничего, противоречащего этому закону. Животные и растения, звезды и планеты, даже Вселенная (или, точнее, Метагалактика, наблюдаемая нами часть мироздания), по современным представлениям, имели когда-то начало, а значит, будут иметь конец. О появлении живых организмов люди задумались очень давно. В некоторых мифах высказана мысль о рождении первых животных из грязи и ила. То же утверждал в системе в своей материалистической философии Демокрит. По его представлениям атомы, сплетаясь, образуют различные вещества, а также растения и животные не беспричинно, а на каком-нибудь основании и в силу «необходимости». Чуть подробнее он объяснял так: «Земля сперва затвердела, затем, когда вследствие согревания ее поверхность стала приходить в брожение, она во многих местах подняла вверх кое-какие из влажных веществ, и, таким образом, возникли на их поверхности гниющие образования, покрытые тонкими оболочками… Когда влажные вещества вследствие согревания начали рождать жизнь, они (гниющие образования) тут же стали получать по ночам питание от влаги, осаждавшейся из окружающей атмосферы, днем же отвердевали от жары». В конце концов из них возникли разнообразные формы жизни. Нечто подобное предполагали мыслители на протяжении многих веков. Особенно распространено было мнение, восходящее к Аристотелю, о 2 саморождении личинок многих организмов и гниющем мясе. Эта легенда была опровергнута опытами итальянского ученого Франческого Реди во второй половине XVII века. Еще раньше англичанин Вильям Гарвей провозгласил: «Всякое животное – из яйца». Вернадский предложил называть утверждение «живое – от живого» принципом Реди. Как же возникает жизнь? Планета бешено вращалась. Ночь и день сменяли друг друга с головокружительно быстротой: день длился всего 5-6 часов. Тяжелая Луна угрожающе висела в небе (гораздо ближе, чем сегодня), отчего казалась крупнее. Звезды выглядывали редко, потому что в атмосфере было полно смога и пыли. Солнце – когда его вообще можно было разглядеть сквозь занавесу рыжего смога – выглядело водянистым и хилым, лишенным нынешнего величия. Многие из ученых ХХ века на вопрос: «Как же возникает жизнь?» ответят примерно так: некогда на безжизненной Земле сложились условия для химической эволюции, в результате которой синтезировались сложные органические молекулы, а из них после бесчисленных проб и ошибок сформировались крохотные сгустки органического вещества, способные осуществлять обмен веществ и размножение. Во времени жизнь организована как смена поколений организмов. Организмы каждого поколения осуществляют закономерный процесс развития или жизненный цикл. Наиболее демонстративен жизненный цикл многоклеточных растений и животных, размножающихся половым способом, который начинается одной клеткой – зиготой. Клетки являются чудом эволюции. Они представляют собой чудо не с религиозной точки зрения, а потому что обладают набором чудесных качеств. Каждый из нас в своей основе представляет собой сообщество 3 миллиардов клеток, которые определяют все – от наших движений до памяти и способности к воображению. Мы обязаны своим происхождением всего лишь одной клетке – оплодотворенной яйцеклетке. Да и вообще вся жизнь на земле произошла из одной единственной клетки миллиарды лет тому назад. Открытие клеточной теории считается более важным событием в биологии, чем даже теория эволюции Дарвина, поскольку эта теория позволила установить общую основу целого ряда различных явлений. Она объясняет то, как функционирует наше тело, что является исключительно важным тогда, когда что-то нарушается и мы заболеваем. Познание клеток – это ключ к будущему медицины. Мы также должны научиться понимать, как происходит старение клеток, и благодаря этому познать природу самой смерти. Клетки являются основой всего живого – от бактерий до живых растений. Что касается зарождения жизни, то одни ученые считали, что она возникла в воде, а другие – что в воздухе. Первым человеком, который увидел клетку и назвал ее так, - стал Роберт Гук. Это случилось в 1665 году. Именно образование новых клеток позволяет организму расти и развиваться. Жизнедеятельности и строение этих единиц весьма сложно и зависит от специфики предназначения. Понятие «онтогенез» включает в себя все стадии развития организма от зародыша до смерти. Его начало – это оплодотворение, то есть слияние сперматозоида и яйцеклетки, в результате чего происходит образование зиготы. Зиготы – это диплоидные клетки, которые образуются путем слияния гамет. Диплоидность обусловлена полным (двойным набором хромосом), равноценно полученным от отцовской и материнской гаметы. Женская гамета – это яйцеклетка, мужская – спермий. Каждая половая клетка имеет гаплоидный (одинарный) набор хромосом. 4 Развитие зиготы начинается сразу после процесса оплодотворения, который еще называют фертилизацией. По завершению процесса фертилизации получившаяся клетка перемещается в матку. По пути уже начинает происходить развитие и дробление зиготы. Это сложный процесс, состоящий из нескольких стадий. Между моментом оплодотворения и первым митотическим делением проходит примерно 30 часов. Из зиготы развивается зародыш. Первая стадия этого процесса – дробление. Это не случайное название. Ведь между делениями отсутствует стадия клеточного роста, то есть в результате каждого из них клетки ровно напополам уменьшаются в размерах, становятся мельче. Дочерние клетки, сформировавшиеся путем дробления зиготы, носят название «бластомеры». Процесс дробления длится до того момента, пока из нее не сформируется зародыш. Таким образом, можно сказать, что человеческий организм появляется в результате многомиллиардного деления зиготы. Зиготы – это первые клетки новых организмов. Весь набор необходимых для жизни органов первоначально формируется из них. Сам процесс образования органов называется органогенезом. Далее, до момента рождения, эти системы развиваются и совершенствуются. Это клетка, которая впоследствии станет человеком. Всякий живой организм после рождения развивается, достигает своего максимального развития и расцвета жизнедеятельности, после чего начинается спад функциональной деятельности, его физиологическое разрушение и наступает смерть. Жизнедеятельность организма, его инстинктивные реакции понуждают человека к размножению, или самовоспроизведению, как и все другие виды живых организмов, человеческий организм существует в природе благодаря воспроизводству. Без размножения невозможно существование вида и жизнь, человек, как и 5 все живые существа, нуждается в видовом сообществе себе подобных, сообщество людей также понуждает его к размножению. Понуждают к размножению и сами условия жизни, обусловленность человека, среда обитания и его неспособность в одиночку решать жизненные проблемы. Онтогенез (ontogenesis; от греч. on., оntos – сущее и genesis – происхождение, развитие) – история индивидуального развития организма, или совокупность преобразований, претерпеваемых организмом от зарождения до конца жизни. В понятие «онтогенез» входит цепь последовательных морфологических, биохимических и функциональных преобразований, происходящих в организме с его зарождения и до смерти. Онтогенез есть сжатое, краткое повторение (рекапитуляция) филогенеза. Наиболее распространены три типа онтогенеза:
Началом жизни человека является оплодотворение женской яйцеклетки после совокупления, если процесс происхождения и развития не прерван до рождения ребенка. От момента зачатия и до смерти жизнь человека проходит несколько периодов развития, обновления и разрушения – постоянных изменений присущих жизни каждого человека. С рождением ребенка, что представляет собой переломный момент в онтогенезе человека, организм переходит в новые условия существования с 6 новой формой питания через пищеварительный тракт, легочным дыханием, измененной системой кровообращения. Развивающийся ребенок, как и плод, представляет собой непрерывно меняющийся организм, с характерным для каждого возрастного периода морфофизиологическими и биохимическими особенностями, с новым уровнем интеграции нервной системы. Ребенок – это не взрослый человек в миниатюре, его организм обладает своеобразными анатомо-физиологическими особенностями, претерпевающими характерные возрастные изменения в течение всего периода развития. Возрастные периоды человека: - Детский возраст. Охватывает период времени о рождения до полового созревания. Период новорожденности, продолжающийся до 4-х недель жизни, период грудного возраста – от 4-х недель до 1,5 лет. Преддошкольный или ясельный возраст – от 1,5 до 3 лет, дошкольный возраст (период детского сада) – от 3 до 7 лет. Младший школьный возраст – от 7 до 12 лет, старший школьный возраст, или период полового созревания, или подростковый возраст от 12 до 18 лет, за которым следует юношеский и зрелый возраст. - Подростковый возраст, или период полового созревания. От 12 – 13 до 16 лет у девочек и от 13 – 14 до 17 – 18 лет у мальчиков. В этом возрасте активные процессы развития вторичных половых признаков. Морфологический статус с уже заметно выраженным половым диморфизмом. - Юношеский возраст. От 16 до 25 лет у женщин и от 17 – 18 до 26 лет у мужчин. - Взрослый возраст. От 25 до 40 лет у женщин и от 26 до 45 лет у мужчин. Период относительной морфологической стабилизации. 7 - Зрелый возраст. У женщин от 40 до 55 лет, а у мужчин от 45 до 55 лет. Климактерий у женщин. Уменьшение длины тела, старение и выпадение зубов, значительная и все увеличивающаяся морщинистость кожи, выпадение и поседение волос. - Старческий возраст. Свыше 55 лет. Общая постепенно увеличивающаяся инволюция организма. Мы рождаемся с мозгом, в котором содержится около 100 миллиардов нервных клеток. После нашего появления на свет деление этих клеток практически останавливается. При рождении человека вес мозга составляет примерно 300 граммов, что составляет примерно 10 процентов от общей массы тела. По контрасту мозг взрослого человека, веся 1400 граммов, составляет лишь 2 процента от общей массы тела. Размер мозга увеличивается с возрастом и достигает максимума в возрасте между шестью и четырнадцатью годами. Увеличение размеров мозга происходит не вследствие размножения нервных клеток, которые уже не делятся после того, как приобретают специализированные функции, а за счет размножения клеток, поддерживающих их работу, а также благодаря увеличению размеров самих нервных клеток, которые выбрасывают новые нервные отростки и устанавливают новые нервные соединения. Большинство из нас предпочло бы избежать смерти, однако старение и сопровождающие его недуги также вряд ли могут рассматриваться в качестве предпочтительного варианта. Но если клетки такие умные, почему же тогда они – и мы с ними – стареем? Ведь к шестидесяти годам мы проживаем не более четверти срока, отпущенного нам с точки зрения генетики. Виной всему следует признать эволюцию, которая заинтересована в том, чтобы мы оставались здоровыми после выполнения этой задачи. 8 Любая действующая механическая система стареет из-за того, что подвергается износу, и то же самое происходит с клетками в биологических системах. После того как мы переходим шестидесятилетний рубеж, признаки старения становятся более чем очевидными. Старость – естественный завершающий этап онтогенеза. В этот период, в связи с изменением обмена веществ и свойств тканевых и клеточных коллоидов, происходит интенсивный процесс обеднения тканей водой и солями. Результатом этого является потеря тканями эластичности и тургора, что обуславливает появление морщин, складчатость и сухость кожи. Снижается функция коры головного мозга, всех органов чувств, желез внутренней секреции. С развитием старческих изменений нарушается высшая нервная деятельность, соотношение между возбуждением и торможением. В первую очередь и больше всего страдает тормозной процесс, снижается подвижность нервных процессов. У стариков снижается умственная трудоспособность, легче возникает утомление, наблюдается ослабление памяти, нарушается сон. Однако эти процессы вследствие индивидуальности организма протекают неодинаково. Старение не является элементом нашей программы развития, и не существует таких генов, которые способствовали старению. Напротив, в ходе эволюции выработаны клеточные механизмы, которые препятствуют старению. Однако эти механизмы действуют лишь до той поры, пока воспроизводство остается важной составляющей частью жизнедеятельности организма. Жизнь человека не вечна, пройдя полный цикл или даже не закончив его, жизнь прекращается, заканчивается смертью и полным разрушением организма. После смерти человека тела его рассыпается и ничего от него не остается. О жизни индивида остаются только воспоминания близких и 9 других людей. Жизнь продолжается новыми поколениями людей, появившимися в процессе размножения и уходящими из нее людьми, повторяя все ее периоды характерные для человеческого вида живых организмов. 10 2. Эрвин Симонович Бауэр – основоположник теоретической биологии. Эрвин Симонович Бауэр останется в истории науки, как автор книги, даже название которой «Теоретическая биология» привлекает внимание своей необычностью. Книга эта замечательна во многих отношениях. В ней представлена стройная концепция, основанная на постулате особого физического состояния «живого вещества». Постулат этот соответствовал «научному мировоззрению» того времени. Мало кто принимает этот постулат сейчас, когда мы так много узнали о физических свойствах биологически важных молекул. Мы знаем, что никаких свойственных лишь биологическим объектам физических свойств нет, т.е. в сущности нет БИОфизики. Бауэр думал иначе. Но книга его замечательна своей логической конструкцией и четкостью постановки вопросов. Кроме того, книга Бауэра интересна нам и как исторический документ – свидетельство научных взглядов 1920 – 1930-х годов. Становление современных физики и химии в XIX в. привело к самому общему выводу: всякому природному явлению соответствуют особые вещества. Или сильнее: природные явления – проявление физических свойств особого «живого вещества». Соответственно формулировалась задача выделить это живое вещество и исследовать его физические свойства. Живое вещество было «найдено» довольно быстро – под микроскопом оно выглядело слизистой желеобразной массой. Его находили во всех живых существ, оно казалось всюду одинаковым, следовательно, оно и было носителем свойства «жизнь». И, как универсальный первичный носитель жизни, это вещество было названо «протоплазма». Этот чисто философский, вернее натурфилософский термин отвечал общему мировоззрению того времени. 11 Это замечательное, наделенное свойством жизни вещество, по своим свойствам, особенно по свертыванию при нагревании, очень походило на давно известные белки птичьих яиц, молока или крови. И, чтобы не путать его с этим «обычным белком», основной компонент протоплазмы стали обозначать термином «протеин», т.е. также чисто философским термином. В немецком это различие терминов «протеин» и «белок» сохранилось, в английском остался только «протеин». Эта семантическая неаккуратность дорого стоила науке – «свойство жизни» стали относить не к обобщенному понятию «протеин», а к химически индивидуальному веществу – белку. Наиболее завершенной главой теоретической физики XIX в. является термодинамика. Термодинамический подход, термодинамический анализ природных явлений стал общепринятым. Поэтому было естественно искать в «живом веществе» и в биологических процессах особые термодинамические свойства. Эрвин Браун направил свои усилия на исследования термодинамических свойств «живого вещества». Этим веществом он считал молекулы белка в особом «неравновесном» состоянии. При этом Бауэр полагал, что это не просто неравновесное состояние, а самоподдерживающееся неравновесное состояние, или его словами, «устойчиво равновесное» состояние. И в самом деле жизнь поддерживается постоянным притоком энергии (пищи, света). Энергия тратится в процессах жизнедеятельности и в них же освобождается энергия пищи для поддержания этого особого состояния живого вещества. Бауэр считал, что на самом деле речь идет об особом, поддерживаемом потоком энергии и потому «устойчивом», состоянии молекул белка. Он сформулировал это представление в виде принципа устойчивого равновесия. Исходя из этого принципа, он, в качестве следствий, выводит все основные свойства биологических систем – метаболизм, деление клеток, размножение, старение. 12 Бауэр полагал, что устойчиво неравновесное состояние реализуется в особой «напряженной», «деформированной» конфигурации (конформации) молекул белка. Такое состояние этих молекул, их «структурная энергия» обуславливает их каталитическую (ферментативную) активность и, следовательно, все процессы метаболизма, явления биологической подвижности, ассиметричное распределение ионов в системе клетка – внеклеточная среда и, следовательно раздражимость (возбудимость). Бауэр писал: «…источником работы, производимой живыми системами, служит, в конечном счете, свободная энергия, свойственная этой молекулярной структуре, этому состоянию молекул», «…это неравновесное состояние, эта деформированная молекулярная структура … поддерживается или постоянно восстанавливается за счет энергии непрерывных процессов выравнивания, протекающих в живой ткани…». Многое в идеях Бауэра плодотворно. В частности, из них следует представление о молекуле белка как о машине, осуществляющей свои функции – преобразование энергии – за счет «целесообразных» движений своих частей. Молекулы белка, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений и в клетке находятся в термодинамическом равновесии со средой. Свободная энергия запасается в клетках в виде свободной энергии процессов катаболизма молекул пищи или, в конце концов, в виде макроэнергических фосфатов. Особой физики нет, но такой подход, такая постановка вопросов о сущности жизни, о термодинамических особенностях процессов жизнедеятельности и, более того, стремление вывести дедуктивно «из общих принципов» все основные свойства изучаемого объекта – идеал науки. В те годы к такому идеалу активно устремлялись физики, и физика была примером для биологии. Казалось, что возможно аналогично теоретической 13 физике создать теоретическую биологию. И Бауэр сделал попытку. И попытка удалась – стройная концепция, общий принцип и следствия из него – были реализованы. При этом замечательно и парадоксально, что логическая конструкция «Теоретической биологии» Бауэра сохраняется и в случае иной физической интерпретации исходного Принципа устойчивого равновесия. Термодинамический принцип Бауэра, без сомнения верен в вероятностно-информационном смысле. В связи со сказанным и принцип Бауэра оказывается верным и выглядит следующим образом:
Содержание книги этим не исчерпывается. Первая ее часть, которая называется «Общая теория живой материи» состоит из введения – «Предмет и метод теоретической биологии» - и четырех глав «Принцип устойчивого равновесия», «Свободная энергия живых систем и принцип работы системных сил», «Противоречия между внешней и внутренней работой в живых системах. Принцип увеличивающейся внешней работы как историческая закономерность» и «Проблемы живого белка». Вторая часть – «Теория жизненных явлений» - с главами: «Обмен веществ и границы ассимиляции», «Размножение», «Приспособление», 13 «Раздражимость», «Эволюция», где показаны логические следствия исходного принципа. Эти главы замечательны стилем и логикой изложения и демонстрируют плодотворность дедуктивного метода. Информационно-эволюционная интерпретация главного принципа делает эти логические построения вполне современными, показывая, как далеко опередил Э. С. Бауэр свое время. И в самом деле, в «Теоретической биологи и» предвосхищены многие идея развитых позже термодинамики необратимых процессов, теории информации, биоэнергетики, физики и физической химии биологически важных макромолекул. Еще до выхода в свет отдельные главы книги Бауэра стали предметом дисскусий. Вообще под впечатлением идей Бауэра находились многие биологи тех лет. Но понимали его действительно с трудом – венгр по происхождению, он плохо говорил по-русски. После ареста его труды были, по принятым правилам, изъяты из библиотек и уничтожены. Лишь в личных библиотеках сохранилось несколько экземпляров «Теоретической биологии». После ХХ съезда КПСС Бауэр был посмертно реабилитирован. Эрвин Бауэр родился 19 октября 1890 г. В г. Лече, принадлежавшем в то время Венгрии. Отец, Симон Бауэр, был учителем французского и немецкого языков в реальном училище города Сегеда. Мать тоже преподавала иностранные языки, французский и английский, в женской гимназии Сегеда. Отец умер в 47 лет от рака. В семье осталось трое детей: Герберт 13 лет, Хильда 9 лет и Эрвин 6 лет. Эрвин окончил медицинский факультет университета в Геттингене в Германии, где изучал, в частности, гистологию и патологическую анатомию, решив заниматься онкологией. 14 В 1914 г. Бауэр сдал экзамены на врача, но началась Первая мировая война, и он был мобилизован в австро-венгерскую армию. В 1915 – 1918 гг. работал в гарнизонной больнице, где начал заниматься исследовательской работой. Эрвин Бауэр увлекся марксизмом и, судя по всему, принимал активное участие в Венгерской Революции 1919 г. Настолько активное, что после поражения революции и падения Республики осенью того же года вместе со своей второй женой Стефанией Сциллард ему пришлось эмигрировать сначала в Вену, а затем в Геттинген. В 1921 г. Бауэры приехали в Прагу, где Эрвин стал ассистентом профессора Ружички в отделе общей биологии и экспериментальной морфологии Карлова университета. В этот период его особенно интересовали реакции клеток на различные факторы внешней среды в связи с общей теорией жизненных явлений. В 1920 г. Бауэр публикует первую свою книгу, посвященную общим проблемам биологии. В 1925 г. По приглашению института профессиональных заболеваний имени Обуха Бауэры приехали в Москву, и Эрвин начал работать в лаборатории общей биологии. В 1930 г. Он уже издал на русском языке книгу «Философские основы биологии». В 1931 г. Б.П. Токин, бывший тогда директором биологического института имени Тимирязева, пригласил его организовать и возглавить в институте лабораторию общей биологии. В 1934 г. в Ленинграде создается Всесоюзный институт экспериментальной медицины (ВИЭМ). Бауэра пригласили туда для организации отдела общей биологии. В 1935 г. выходит в свет главный труд Бауэра «Теоретическая биология». 15 Столетие Бауэра было отмечено осенью 1990 г. В Пущино состоялся Всесоюзный симпозиум, посвященный его творчеству. Труды симпозиума изданы. Память о замечательном мыслителе и о его трагической судьбе, столь характерной для нашего жестокого времени, не исчезает. |