Коллоквиум по биологии № 2. Коллоквиум по биологии 2 Занятие 4 Индивидуальное развитие. Жизненный цикл организмов как отражение их эволюции
 Скачать 98 Kb.
|
|
Коллоквиум по биологии №2 Занятие 1.2.4 1. Индивидуальное развитие. Жизненный цикл организмов как отражение их эволюции. Онтогене́з — индивидуальное развитие организма, совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом, от оплодотворения(при половом размножении) или от момента отделения от материнской особи (при бесполом размножении) до конца жизни. Жизненный цикл развития как отображение эволюции. Жизненный цикл есть результат генетической программы, выработанной в ходе длительного процесса эволюционного развития.
2. Теория происхождения многоклеточных Э.Геккеля и И.И.Мечникова Теория Э.Геккеля (1884): В построении своей гипотезы он исходил из эмбриологических исследований, проведенных к тому времени А.О.Ковалевским и другими зоологами преимущественно на ланцетнике и ряде позвоночных. Опираясь и биогенетический закон, Геккель считал, что каждая стадия онтогенеза повторяет какую-то стадию, пройденную предками данного вида во время филогенетического развития. По его представлениям, стадия зиготы соответствует одноклеточным предкам, стадия бластулы - шарообразной – колонии жгутиковых. Далее по этой гипотезе произошло впячивание одной из сторон шарообразной колонии и образовался двухслойный организм, названный Геккелем гастреей, а гипотеза Геккеля получила название теории гастреи. Эта теория сыграла большую роль в истории науки, так как способствовала утверждению монофилитических представлений о происхождении многоклеточных. Теория И.И. Мечникова (1886): По его представлениям у гипотетического предка многоклеточных – шарообразной колонии жгутиковых – клетки, захватывавшие пищевые частички, временно теряли жгутики и перемещались внутрь колонии. Затем они могли вновь возвращаться на поверхность и восстанавливать жгутик. Постепенно в шарообразной колонии произошло разделение функции между сочленами колонии. Для успешного захвата пищи необходимо активное движение, что привело к поляризации организма. Передние клетки приобретали специализацию в отношении движения, а задние в отношении питания. Возникшее затруднение передачи пищи от задних клеток к передним повлекло за собойиммиграцию фагоцитобластов в полость тела. Этот гипотетический организм схож с личинкой многих губок и кишечнополостных. Первоначально Мечников назвал его перенхимеллой. Затем в связи с тем, что внутренний слой у гипотетического организма формируется из фагоцитобластов, он назвал его фагоцителлой. Данная теория получила название теории фагоцителлы. 3. Биогенетический закон Геккеля-Мюллера и его применение в построении концепции происхождения многоклеточных Биогенетический закон (Э. Геккеля и Ф. Мюллера): каждая особь на ранних стадиях онтогенеза повторяет некоторые основные черты строения своих предков, иначе говоря, онтогенез (индивидуальное развитие) есть краткое повторение филогенеза (эволюционного развития Независимо друг от друга Геккель и Мюллер сформулировали биогенетический закон. ОНТОГЕНЕЗ ЕСТЬ КРАТКОЕ ПОВТОРЕНИЕ ФИЛОГЕНЕЗА. В онтогенезе Геккель различал палингенезы и ценогенезы. Палингенез – признаки зародыша, повторяющие признаки предков (хорда, хрящевой первичный череп, жаберные дуги, первичные почки, первичное однокамерное сердце). Но их образовании может сдвигаться во времени – гетерохронии, и в пространстве – гетеротопии. Ценогенезы – приспособительные образования у зародыша, не сохраняющиеся во взрослом состоянии. Он указал, что ценогенезы влияют на палингенезы, искажают их. Он считал, что из-за ценогенезов рекапитуляция происходит не полностью. Он отталкивался от этой теории когда создавал теорию гастреи. Дальнейшие исследования показали, что биогенетический закон справедлив лишь в общих чертах. Нет ни одной стадии развития, на которой зародыш повторял бы строение своих предков. Установлено так же, что в онтогенезе повторяется строение не взрослых стадий предков, а эмбрионов. 4. Гипотеза пангенезиса. Преформизм и эпигенез. Роль взглядов К.М. Бэра на развитие современной эмбриологии Пангенезис (от греч. рan – все и «генезис» – происхождение, возникновение), выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 гипотеза наследственности, согласно которой признаки и свойства родителей передаются потомству посредством мельчайших зародышей – геммул, поступающих в половые клетки из всех др. клеток организма. При развитии нового организма гeммулы дают начало такого же рода клеткам, какими они образованы. Дарвин считал гипотезу пангенезиса «временной» и позднее признал ее неудовлетворительной. Преформизм: В XVII-XVIII вв. оформились два взгляда на онтогенез — преформизм и эпигенез. Сторонники преформизма полагали, что зародышевое развитие сводится к росту вполне сформированного зародыша. Предполагалось, что зародыш — уменьшенный вариант сложноустроенного взрослого организма — существовал в такой форме с момента творения. Эпигенез: Приверженцы альтернативного течения — эпигенетики — считали, что в процессе онтогенеза происходит новообразование структур и органов зародыша из бесструктурного вещества. Решающий перелом в споре между представителями двух течений произошел в XIX в. после работ К.М. Бэра (1792-1876), сумевшего снять альтернативу — или преформизм, или эпигенез. К.М. Бэр считал, что нигде в зародыше не происходит новообразований, имеют место лишь преобразования. При этом преобразование К.М. Бэр понимал отнюдь не в духе преформизма, а рассматривал его как подлинное развитие, с глубокими качественными преобразованиями от более простого и недифференцированного к более сложному и дифференцированному. 5. Современные представления о молекулярно-генетических механизмах онтогенеза. Морфогенез – возникновение и развитие органов, частей тела организмов как в онтогенезе, так и в филогенезе. Экспрессия гена – степень выраженности гена при реализации в различных условиях среды. Синтез белка происходит избирательно. В построении белка, необходимого для данных условий среды, участвуют определенные аминокислоты. Информация о создании цепи находится в ДНК, а ДНК соответственно в генах. Молекулярно-генетический уровень митоза – происходит реализация молекул ДНК с помощью хромосом, синтез белка, РНК и других высокомолекулярных соединений. Клеточный уровень митоза – происходит равномерное распределение генетической информации, так как две дочерние клетки образуются из одного ядра. Дифференцировка клеток и избирательная активность генов. До стадии бластулы все клетки тотипотентны – стволовые. Со временем тотипотентность снижается и появляются полипотентные (способны превращаться только в определенную ткань). У взрослых особей также сохраняется часть стволовых клеток. В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессивном состоянии, число же активно работающих генов различно в различных тканях и органах на разных стадиях развития. У эукариот существует путь регулирования генной активности – одновременное групповое подавление активности генов в целой хромосоме или ее большем участке. Это осуществляется белками-гистонами. Теория информации:
С позиции теории информации (Пригожин, Рубнер) в живой системе, в процессе ее развития, энтропия уменьшается. 6. Организм как саморегулирующая система. Гомеостаз, гомеорез, гомеоклаз. Гипотеза эргон/хронона (Л.Гедда) Гомеостаз — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. Гомеорез - Существование определенных онтогенетических путей, приводящих к возникновению стандартных фенотипов независимо от внешней среды и генетических воздействий; Гомеоклаз — системная дезинтеграция и снижение адаптационных возможностей организма в процессе старения. 7. Реализация принципа системности в онтогенезе. Целостность онтогенеза. Ассимиляция и диссимиляция – их сущность. Различия на разных этапах онтогенеза. Организм развивается как целостная система в единстве с условиями среды. В его развитие можно выделить 3 фактора детерминирующих развитие: 1. Генетические. Запрограммированы в ядре. В любой клетке большинство генов репрессировано и только часть из них депрессируется. Условно гены можно разделить на 3 группы: функционирующие во всех клетках (гены, кодирующие структуры, общие для всех клеток), функционирующие в тканях одного вида, специфичные для каждого вида клеток, обеспечивающие их морфологию и функции. 2. Взаимодействие частей зародыша. Начинается с того, что возникают различные виды клеток за счет неоднородности цитоплазмы в яйцеклетке. От этого зависит дальнейшая дифференцировка. Дальнейшее усложнение в строении и формировании частей тела достигается благодаря взаимодействию между клетками. Онтогенез на этом этапе развития направляется взаимодействием между частями организма, также влияющими на реализацию генотипа в различных частях зародыша. 3. Внешние для зародыша. Могут быть различные факторы физической и химической природы . Н-р: изменение температуры, действие лучистой энергии. Даже кратковременное их действие имеет существенное значение в формировании организма. Диссимиляция – энергетический обмен. Распад, расщепление органического вещества. Органические вещества, составляющие основу живой материи отличаются от неорганических сложным строением и большим запасом энергии. Идет с выделением энергии. Ассимиляция – пластический обмен. Образование сложных веществ из более простых. Идет с затратой энергии. 8. Средняя и видовая продолжительность жизни человека. Понятие о геронтологии и гериатрии. Проблемы долголетия. Особенности биоритмов в старческом возрасте. Клеточные механизмы старения: 1) Уменьшается содержание воды в цитоплазме 2) Снижается электрический потенциал 3) Снижается содержание в цитоплазме АТФ 4) Изменяется структура эндоплазматической сети. Генетические механизмы старения: 1) Снижается интенсивность синтеза ДНК и РНК 2) Возникают ошибки при считывании информации, вследствие чего нарушается синтез белка 3) Накапливаются свободные радикалы в цитоплазме 4) Усиливается процесс возникновения хромосомных аберраций в некоторых соматических клетках. Системные механизмы старения: 1) Гетерохронность – разное начало проявления старения в разных тканях и органах. 2) Гетеротопность – неодинаковое проявление изменений в разных структурах. 3) Гетерокатефтентность – разнонаправленность процессов старения. Геронтология — раздел биологии и медицины, изучающий закономерности старения живых организмов, в т.ч. человека. Гериатрия — учение об особенностях развития, течения, лечения и предупреждения заболеваний у людей старческого возраста. Проблема долголетия всегда занимала умы исследователей, но в ХХ века она приобрела особое значение в связи с глубокими демографическими сдвигами в структуре населения: во всех развитых странах происходит возрастание контингента пожилых людей. Попытки продления жизни предпринимались уже давно. Но продолжаются и по сей день. Возможно, что дальнейшая разработка какие-либо результаты. Теории старения: эндокринная ( Г. Штейнах), питание, сдерживающее рост( Мак-Кей 1953, В.Н. Никитин 1974), недостаточность восстановительных процессов (И.А. Аршавский 1972), нормализация функций иммунной системы, свободно-радикальная теория, нормализация работы нервной системы (А.В. Ачурин 1958). Особенности биоритмов в старческом возрасте: поступательное угасание амплитуд, низкий уровень надежности хроноструктуры, измененная структура хронодезмов. 9. Календарный и биологический возраст. Методы определения биологического возраста. Роль наследственности и среды в онтогенезе. Близнецовый метод генетики. Его роль в понимании проблем медицины. Календарный возраст определяется астрономическим временем, прошедшим со дня рождения. Биологический возраст — это мера изменения во времени биологических возможностей, жизнеспособности организма, мера предстоящей жизни. Критерии определения биологического возраста • зрелость (оценивается на основе развития вторичных половых признаков) • скелетная зрелость (оценивается по срокам и степени окостенения скелета); • зубная зрелость (оценивается по сроками прорезывания молочных и постоянных зубов); • наследственность; • конституция человека; • зрелость интеллекта (уровень развития как личности). Существует большое количество предложенных разными исследователями тестов – в зависимости от целей исследования.
Интенсивно делящиеся клетки зародыша весьма чувствительны к неблагоприятным воздействиям, которые могут привести к различным нарушениям в формирующемся организме. Опаснее всего воздействие химических веществ, способных проникать через плаценту в эмбрион. Близнецовый метод был введен Ф. Гальтоном. Он разделил близнецов на однояйцовых (монозиготных) и двуяйцовые (дизиготных).Близнецовый метод используется для определения степени влияния среды и наследственности на развитие какого-либо признака.
Периодизация постнатального онтогенеза (сложный поэтапный процесс, в ходе которого происходят коренные преобразования уровня информации, направленные изменения энтропии, энергообразования и ее использования (метаболизма)): Новорожденный 1-10 дней Грудной 10 дней-1 год Раннее детство 1-3 года Первое детство 4-7 лет Второе детство 8-12 лет (м), 8-11 лет (ж) Подростковый 13-16 лет (м), 12-15 лет (ж) Юношеский 17-21 лет (м), 16-20 лет (ж) Первый зрелый 22-35 лет (м), 21-35 лет (ж) Второй зрелый 36-60 лет (м), 36-55 (ж) Пожилой 61-74 лет (м), 56-74 (ж) Старческий 75-90лет Долгожители 90 и более лет Гипофиз. В нем находится гормон, стимулирующий рост, соматотропный гормон. При пониженной функции в детском возрасте развивается карликовость (нанизм), при повышенной – гигантизм. При выделении гормона в зрелом возрасте происходит патологический рост отдельных органов. Наблюдается разрастание костей кисти, стопы, лица (акромегалия). Эпифиз. Рост трубчатых костей в длину происходит до тех пор, пока между эпифизом и диафизом сохраняются прослойки хрящевой ткани, когда на их месте появляется костная ткань, рост в длину прекращается. Мелатонин. Координирует фазовые взаимодействия ритмов таким образом, что однонаправленные действуют в унисон, а разнонаправленные – несовместимы. Доносит до всех клеток организма о времени дня и световой фазе солнечного дня. Разрушается на свету. Вырабатывается в темноте.
Старение связано с изменениями, происходящими на всех уровнях организации живой материи - молекулярном, субклеточном, клеточном, системном, целостного организма. Старение - генетически запрограммированный процесс, результат закономерной реализации программы, заложенной в генетическом аппарате. Действие факторов окружающей и внутренней среды незначительно влияет на темп старения. Генетические механизмы старения многообразны и недостаточно изучены. Они разыгрываются на всех уровнях организации генных регуляторных систем. Мы обнаружили и изучили следующие возрастные молекулярно-генетические изменения: 1) нарушение метилирования ДНК ; 2) изменение прочностей связей между ДНК и белками хроматина печени крыс в результате изменения фракций гистонов и кислых белков у старых животных; 3) изменение активности различных фракций нуклеаз ядер и цитоплазмы клеток старых животных, способность этих ферментов повреждать геном; 4)потеря ядрышек в клетках печени нерестующей горбуши.
Теории старения:
Генетические теории старения: во всем виноваты гены старения, запускающие этот комплексный механизм. Открыты гены, изменения которых существенно продлевают жизнь. Мутационные теории: теория ошибок(Szillard, 1959), свободно-радикальная теория(Harman, 1956). Старение – накопление ошибок и результат действия радикалов (АФК), повреждения ДНК и РНК(Л.Поллинк о пользе антиоксидантов), теория апоптоза(В.П. Скулачев). Энергетическая (митохондриальная) и синтетические теории: старение – прогрессирующий дефицит энергии (вследствие накоплений повреждений ДНК митохондрий из-за совокупности всех причин. 13.Клиническая и биологическая смерть. Реанимация. «Живая система » и ее главные критерии. У высших многоклеточных организмов смерть – не одномоментное событие. В этом процессе различают 2 этапа:
Реанимация, т.е. возвращение к жизни из состояния клинической смерти. Из этого состояния вернуть можно лишь тогда, когда не повреждены жизненно важные органы. Реанимация (от ре... и лат. animatio — оживление), совокупность мероприятий по оживлению человека, находящегося в состоянии клинической смерти , восстановлению внезапно утраченных или нарушенных в результате несчастных случаев, заболеваний и осложнений функций жизненно важных органов. Живая система – открытая термодинамическая система, непрерывно обменивающаяся с окружающей средой информацией, энергией и веществом. Критерии живой системы:
14.Критические периоды развития. Тератогенные факторы среды.
Тератогенные факторы среды – факторы, способные вызывать нарушения развития, уродства. В разные периоды развития эмбрион оказывается чувствительным к физическим и химическим воздействиям. К тератогенам относятся хинин, алкоголь, токсические вещества, токсины паразитов, недостаток кислорода, недостаток витаминов группы В. Критический период по П.Г. Светлову : Критический период в развитии плода - это когда зародыш или плод становится высоко чувствительным по отношению к действию внешних факторов. Чем на более ранней стадии своего развития находится эмбрион, тем сильнее отличается его ответная реакция на действие фактора от реакции взрослого организма. Вредные факторы, вызывающие аномальное развитие плода, называются тератогенными. Тератоген – средовой (внешний) фактор, действующий на эмбрион или плод и вызывающий нарушение его строения или функционирования, не вызывая при этом изменения наследственных структур. 15. Избирательная активность гена в развитии: роль цитоплазматических факторов яйцеклетки, контактных взаимодействий клеток, межтканевых взаимодействий, гормональных влияний. Рецепторы клеточных мембран и их роль в экспрессии генов. Уже в яйцеклетке можно обнаружить неравномерное распределение наследственной информации. Цитоплазматические факторы белковой природы проникают в ядро и определяют характер считываемой информации. В процессе развития клеточная специализация возникает как результат дифференциальной активности генов, связанной со сложными ядерно-цитоплазматическими отношениями. Взаимодействие между собой отличающихся друг от друга клеток является основой, на которой возникает дифференциальная активность генов на тканевом уровне и приводит к формированию органов. Части зародыша, из которых формируются одни органы, будучи пересаженными на новое место, дают начало другим органам, т.е. тем, которые должны образоваться на данном месте. Такое развитие получило название зависимой дифференцировки. Дифференцировке тканей и образованию органов предшествует также синтез гормонов и определенных белков, характерных для данных морфологических структур. Именно они га данном этапе развития определяют направление морфогенеза. Наружная или плазматическая мембрана ограничивает клетку от окружающей среды и благодаря наличию молекул-рецепторов обеспечивает целесообразные реакции клетки на изменения в окружающей среде. Молекулы-рецепторы по своей природе белки. Мембрана принимает участи е в рецепции и передаче сигналов. Рецепторы часто служат точкой приложения действия гормонов, биологически активных веществ, через рецепторы происходит включение и выключение генов. 16.Закон Гомперца-Мейкема и его сущность. Проблема продолжительности жизни. В 1825 году была создана первая математическая модель старения (Б.Гомперц). Смертность Гомперц рассматривал как величину, обратную жизнеспособности – «способности противостоять всей совокупности разрушительных процессов». Он предложил, что во времени жизнеспособность снижается пропорционально ей самой в каждый момент, что для смертности соответствует экспоненциальному нарастанию с возрастом. У. Мейкем дополнил формулу Гомперца – добавил коэффициент, представляющий независимый от возраста компонент смертности, имеющий эколого-социальную природу и выражено меняющийся в истории человечества. M(t)=A + R₀exp(at) M(t) – интенсивность (вероятность) смертности в возрасте t. A – фоновая компонента Мейкема. R₀exp(at) – возрастная экспонента компонента. Анализируя среднюю продолжительность жизни человека, можно видеть, что эта величина непостоянная. Статистически установлено, что средняя продолжительность жизни женщин выше, чем у мужчин. Потенциальная возможность долголетия проявляется неодинаково в различных условиях среды. Необходимое условие долголетия – отсутствие генетических факторов, вызывающих какое-либо наследственное заболевание или ухудшение жизнеспособности организма. 17. Гипотеза ограниченной надежности организма. Организм представляет собой высоконадежную систему, включающую много элементов. Но надежность системы не бесконечна. Если откажут сразу несколько элементов этой системы, организм переходит в состояние неспецифической уязвимости: человек умирает от любой первой попавшейся причины. Такое состояние назвали нежилец. (московские биологи, 25 лет назад). |