Самоорганізація у розвитку організмів

ІНДИВІДУАЛЬНЕ РОЗВИТОК – ОНТОГЕНЕЗ. Всім живим істотам властивий процес індивідуального розвитку, або онтогенез. У багатоклітинних організмів, що розмножуються статевим шляхом, під цим розуміють процес розвитку особини починаючи з зиготи і до її природної смерті. На першому етапі завдяки інтенсивним мітотичним розподілам відбувається наростання кількості клітин, що входять до складу організму, що розвивається. Процес цей супроводжується диференціюванням клітин, в результаті чого формуються різні тканини і органи дорослого організму. Весь хід онтогенезу базується на закладеній в хромосомах зиготи «генетичній програмі», на реалізацію якої, особливо на ранніх етапах розвитку, істотний вплив роблять фактори навколишнього середовища.

Індивідуальний розвиток властиво і організмам, що виникають в результаті безстатевого розмноження. У одноклітинних утворюються при розподілі материнської особини клітини менше її за розмірами, позбавлені ряду органел, які формуються лише з часом одночасно зі збільшенням обсягу цитоплазми. Досягнувши зрілого стану, ці клітини діляться і дають початок наступному поколінню одноклітинних особин. І хоча природної смерті при цьому не відбувається, індивідуальним розвитком особини можна вважати період від одного поділу до іншого.

У розмножуються безстатевим шляхом багатоклітинних організмів онтогенез виражений більш чітко. У гідри, наприклад, цей процес починається з моменту зародження бруньки на материнському організмі і відбувається до смерті дочірньої особини.

Етапах онтогенезу. Онтогенез багатоклітинних тварин, що розмножуються статевим шляхом, чітко розпадається на послідовні етапи: зигота → ембріональний період → народження особини → постембрінальний оперіод → природна смерть. Етап ембріонального розвитку починається з дроблення зиготи. Це ряд послідовних мітотичних поділів яйцеклітини, в ході яких вона, не збільшуючись у розмірах, розділяється на все більш дрібні клітини – бластомери. В результаті виникає бластула. У типовому випадку вона являє собою порожнистий куля, стінка якого утворена одним шаром клітин (рис. 91, а), а внутрішня порожнина заповнена рідиною.

Наступним кроком в ембріональному розвитку є формування гаструли. Способи її освіти, так звана гаструляция. різні. Найпоширеніші з них – це міграція деяких клітин бластули всередину (рис 91, б) або впячивание клітинного шару на одному з її полюсів (рис. 91, в). У результаті утворюється двошаровий зародок – гаструла, зовнішній шар якого являє собою ектодерму, а внутрішній – ентодерму.

У всіх тварин, за винятком губок і кишковопорожнинних, наприкінці гаструляції з’являється ще один шар клітин – мезодерма, що розташовується між ектодерми і ентодерми (рис. 92).

У результаті ембріонального розвитку формується організм, який здатний до самостійного існування. Народження нової особини відбувається або при вилуплення з яйця (у яйцекладущих тварин), або при виході з тіла матері (у живонароджених). З цього моменту починається постембріональний період у розвитку організму.

Тривалість життя особин, мабуть, генетично запрограмована. Тому з певного моменту починається старіння організму, що завершується його природною смертю. Процес старіння характеризується структурно-функціональними змінами в організмі, які накопичуються з плином часу. У якийсь момент функціонування системи в цілому виявляється неможливим, і настає смерть.

Загальноприйнятого пояснення механізмів, що лежать в основі процесів старіння, немає. Існують численні гіпотези, в більшості з яких причини старіння пов’язують з віковими змінами в генетичному апараті клітин.

РЕГУЛЮВАННЯ онтогенезу. Питання про те, як з плідного яйця виростає цілий організм, хвилює людей здавна і до цих пір залишається одним з центральних в біології. Довгий час панували погляди преформізма, згідно з яким процес розвитку – це просто зростання органів організму, вже сформованого (преформована) в статевих клітинах (рис. 93).

На противагу Преформізм в середині XVIII ст. була запропонована теорія епігенеза, відповідно до якої розвиток організму відбувається не через преформованих органів, а з просто влаштованого зародка в результаті послідовних новоутворень. Підійти до вирішення проблеми регуляції онтогенезу стало можливим лише з розвитком сучасної експериментальної біології і генетики.

Насамперед було встановлено, що спеціалізація клітин при розвитку організму не супроводжується втратою частини генів, що містяться в зиготі. Групі шотландських вчених в 1997 р вдалося виростити нормально сформовану вівцю з яйцеклітини, власне ядро ​​якої було видалено, а замість нього пересаджено ядро, виділене з клітини молочної залози вівці іншої породи. Ці досліди, які були згодом повторені на мишах і вівцях, ще раз переконують у тому, що в ході нормального розвитку необоротних модифікацій генетичного матеріалу не відбувається.

Описані досліди відкривають шлях для практично не обмеженого вегетативного розмноження індивідуума шляхом пересадки ядер його клітин в яйцеклітини іншого організму. У результаті одна особина може дати початок величезному числу ідентичних нащадків – клонів. Процес цей носить назву клонування. Не викликає сумніву й принципова можливість клонування людини.

В даний час роботи в цьому напрямку в багатьох країнах заборонені в законодавчому порядку. Однак питання про клонування людини обов’язково виникне.

Якщо при диференціації клітин, як правило, не виникає генетичних модифікацій, то як же здійснюється регуляція онтогенезу? За сучасними уявленнями цей процес обумовлюється диференціальної активністю генів. Це означає, що в різних клітинах розвивається зародка активна лише частина генів. Решта хоча й присутні, але знаходяться в «вимкненому» стані, і з них не зчитується інформація у вигляді мРНК. В одних клітинах функціонують одні гени, в інших – інші. У ході ділення цих клітин виникають різним чином диференційовані клітини, а на їх основі будуються тканини і формуються органи.

Молекулярні механізми, які регулюють активацію тих чи інших генів, складні і вивчені поки що недостатньо. Відомо, що в яйцеклітинах, як і в інших клітинах організму, присутні білки, які можуть «відкривати» або «замикати» певні гени. Такий білок взаємодіє з регульованим їм геном і залежно від характеру регуляції або робить можливим початок транскрипції з нього мРНК (див. § 51), або, навпаки, перешкоджає цьому.

У яйцеклітині різні регуляторні білки концентруються в різних ділянках цитоплазми. Тому при дробленні зиготи вони неоднаково розподіляються між бластомерами. Відповідно і клітини, які розвиваються з цих бластомерів, будуть відрізнятися. На більш пізніх етапах розвитку зародка проявляються взаємодії між клітинами різних типів і різними частинами організму, що розвивається за рахунок виділення клітинами особливих речовин – індукторів, що впливають на клітини інших типів. На завершальних етапах ембріонального розвитку і протягом постембріонального періоду все більшого значення набуває гормональна регуляція активності генів.

На різних етапах онтогенезу істотне регулюючий вплив на нього чинять фактори зовнішнього середовища (температура, гравітація, різні хімічні і фізичні агенти). У цих точках зародок якраз і проходить через біфуркації, тому навіть вплив факторів малої інтенсивності може позначитися на ході подальшого розвитку. Значущий вплив навколишнього середовища на реалізацію генетичної програми при розвитку організму призводить до того, що навіть особини з однаковим генотипом (наприклад, клони) не братимуть все ж повністю ідентичні один одному.

У ряді випадків вплив факторів зовнішнього середовища може призводити до аномалій у розвитку організму. Вивченням виникають при цьому пороків і каліцтв, а також з’ясуванням причин їх появи і ролі в цьому факторів навколишнього середовища займається самостійний розділ медико-біологічних наук – тератологія.

Відносно недавно з’ясувалося, що більшість клітин тварин несе в своєму генетичному апараті і програму самогубства. Така генетично запрограмована смерть клітин отримала назву апоптоз. Активується програма саморуйнування в тому випадку, коли дана клітина вже не потрібна організму або серйозно пошкоджена.

Апоптоз відіграє важливу роль у розвитку організму і регуляції його клітинного складу. Він служить захисним механізмом для видалення відпрацьованих своє або непотрібних на даному етапі онтогенезу клітин, а також потенційно небезпечних, наприклад інфікованих вірусами, мутантних або пухлинних. У клітинах злоякісних пухлин програма апоптозу може блокуватися. Це одна з причин, по якій вони не мають меж у своєму розмноженні.

Дослідження показують, що розвиток живого організму з яйцеклітини проходить кілька точок біфуркації. Саме тому алкоголь, нікотин і деякі ліки в дозах, практично не роблять впливу на дорослий організм людини, можуть негативно позначитися на розвитку плоду. Врахуйте це у вашій подальшому житті.

У процесі індивідуального розвитку (онтогенезу) живі організми проходять ряд послідовних стадій, починаючи з зиготи і закінчуючи природною смертю. У ході диференціації клітин їх генетичний апарат зберігається в повному обсязі, що відкриває можливості для клонування. Регуляція онтогенезу заснована на диференціальної активації генів в різних клітинних лініях. Важливу регулюючу роль на етапах раннього розвитку відіграють фактори зовнішнього середовища.

Яким може бути вплив факторів зовнішнього середовища на ранні етапи онтогенезу?
Яке значення розвитку з метаморфозом?
Які особливості диференціації клітин в онтогенезі уможливлюють клонування?

Посилання на основну публікацію