Біологія 11 клас

РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ


ТЕМА 5. ІНДИВІДУАЛЬНИЙ РОЗВИТОК ОРГАНІЗМІВ


§ 26. РЕГЕНЕРАЦІЯ. ЕМБРІОТЕХНОЛОГІЇ І КЛОНУВАННЯ


Терміни і поняття: клітинне диференціювання; тотипотентність; стовбурові клітини; клітинна терапія; регенерація; кпонування; близнюки; ембріотехнологія.

Поняття тотипотентності. Як вам добре відомо, будь-який організм, що складається з мільярдів і трильйонів різноманітно функціонуючих і зовні зовсім не схожих клітин, походить від однієї заплідненої яйцеклітини — зиготи. Це означає, що з однієї неспеціалізованої дуже великої клітини спочатку шляхом дроблення утворюються сотні й тисячі таких самих неспеціалізованих, але набагато дрібніших клітин, а потім у ході наступних поділів поступово змінюються форма й розміри клітин і вони починають спеціалізуватися. З цих клітин утворюються зародкові листки, в яких відбувається подальша спеціалізація клітин, у результаті чого започатковуються ті або інші органи тіла й утворюється багатоклітинний організм.

Усі ці послідовні етапи індивідуального розвитку є наслідком клітинного диференціювання (від англ. differ — різнитися) — утворення з однієї батьківської клітини величезної кількості різноманітних за будовою та функціями так званих спеціалізованих клітин. В основу цього процесу покладений механізм реалізації спадкової інформації, який полягає в тому, що на різних етапах розвитку організму в тих або інших його клітинах активними є різні групи генів.

Властивість зиготи або інших клітин давати початок новому організму називають тотипотентністю (від лат. тотус — увесь, цілий, потентіа — сила, міць). Справа в тому, що яйцеклітина не просто має повний набір генетичного матеріалу (ним володіє кожна нестатева клітина організму), а, на відміну від інших соматичних клітин дорослого організму, в яких одні гени активні й на них відбувається синтез іРНК, а інші репресовані, у зиготі всі гени зберігають потенційну активність. Цей стан клітин, наприклад у ссавців, залишається незмінним до стадії морули (пригадайте, скільки клітин у зародка на стадії морули), а в багатьох просто організованих багатоклітинних тварин і деяких рослин клітини зберігають тотипотентність навіть у дорослому стані організму.

Саме з тотипотентності клітин витікає здатність певних організмів до вегетативного розмноження. Причому саме його можливість у різних групах організмів є доказом того, що в кожній клітині тіла зберігається весь генетичний матеріал. Вегетативне розмноження зазвичай властиве грибам, водоростям і багатьом видам насінних рослин, серед яких проявляється у дуже різних формах (пригадайте способи вегетативного розмноження квіткових рослин). У тварин розмноження частинами свого тіла у природних умовах трапляється лише у досить низькоорганізованих істот — губок, кишковопорожнинних, плоских і деяких багатощетинкових червів.

Що таке стовбурові клітини. На стадії бластули клітини зародків ссавців втрачають властивість тотипотентності, перетворюючись у плюропотентні (від лат. плюраліс — множинний і потентіа). Такі клітини ще зберігають здатність йти тим чи іншим шляхом розвитку. З них можуть формуватися різні клітини, тканини і органи, але новий організм з них утворитися вже не може. Цікаво, що нечисленні плюропотентні клітини зберігаються в дорослому організмі людини. Називаються вони стовбуровими клітинами (оскільки вони є ніби стовбуром, з якого виростають різноманітні клітини всього організму). Саме з них постійно утворюються клітини, необхідні для відновлення організму.

Стовбурові клітини, на відміну від інших клітин організму людини, можуть ділитися нескінченно довго. При цьому одна з дочірніх клітин залишається стовбуровою, а друга диференціюється, перетворюючись у функціонуючу клітину, наприклад лімфоцит або еритроцит. За рахунок цього, зокрема, і відбувається постійне відновлення клітинного складу крові. Не випадково термін стовбурова клітина уперше був застосований до кровотвірних клітин. Це відбулося у 1908 р. Автором терміна став російський гістолог Олександр Олександрович Максимов (1874— 1928). Однак, як нині з’ясувалося, функції стовбурових клітин в організмі набагато ширші, ніж формування формених елементів крові. Із стовбурових клітин може утворюватися кожний з приблизно 350 типів клітин організму людини.

Стовбурові клітини у тканинах людського ембріона трапляються у співвідношенні 1 на 10 тис. звичайних клітин, а в літньої людини віком 60—80 років 1 на 9 мільйонів. Саме тому в людей похилого віку так повільно відбуваються відбудовні процеси.

Більшість клітин дорослого організму, які зберегли здатність до поділів, відносять до уніпотентних (від лат. унікус — єдиний у своєму роді і потентіа), оскільки вони здатні розвиватися в клітини лише одного типу. До цієї групи відносять, наприклад, клітини, з яких утворюються сперматозоїди.

У наш час використання стовбурових клітин або їх продуктів у медицині, що дістало назву клітинної терапії, вважають перспективним способом подолання наслідків багатьох дуже важких хвороб: злоякісних новоутворень, порушень функцій імунної системи, патологій обміну речовин тощо. При цьому роль цих клітин полягає не в лікуванні як у такому, а у відновленні функцій кісткового мозку, крові та імунної системи пацієнта після проведення лікування.

Оптимістично настроєні дослідники навіть уважають, що із стовбурових клітин згодом можна буде створювати тканини й навіть вирощувати цілі органи для трансплантації замість донорських органів. Головна перевага цього підходу полягає в тому, що ці органи можна виростити з клітин самого пацієнта, і після пересадки їх не відторгатиме імунна система.

Разом з тим масове застосування стовбурових клітин викликає й певні застереження. Справа в тому, що за такого роду терапії в організм людини вводять тисячі клітин, здатних до нескінченного числа поділів. Але ж саме такою властивістю характеризуються ракові клітини. Тому виникає застереження, що введення стовбурових клітин не тільки омолоджує організм або стимулює імунітет, а й може призвести до виникнення ракових захворювань. Крім того, одержання стовбурових клітин пов’язане з використанням людських органів. Усе це разом узяте накладає серйозні моральні, а в багатьох країнах і юридичні обмеження на маніпуляції із стовбуровими клітинами.

Регенерація як наслідок тотипотентності клітин. У кожному організмі протягом життя повсякчас відбуваються процеси відновлення частин або органів тіла. У людини, наприклад, постійно відроджується зовнішній шар шкіри. Птахи скидають старе пір’я й відрощують нове. Звірі змінюють шерстний покрив. У листопадних дерев восени опадає старе листя, а навесні виростає нове. Усі тварини і рослини можуть загоювати рани й у такий спосіб усувати наслідки травм, а деякі здатні навіть заново у повному обсязі «відбудовувати» втрачені органи. Усі ці процеси, пов’язані з відновленням організмом свого тіла, називають регенерацією (від лат. регенераціо — відродження, поновлення).

Чим організм простіший за своєю будовою, тим більше в нього виражена здатність до регенерації. Так, гідра або планарія можуть не тільки з легкістю відновити втрачені органи, а й навіть вирішити зворотне завдання —



Мал. 100. Поступова регенерація кінцівки аксолотля.

відродити організм з крихітної частки тіла (пригадайте, чому гідра дістала свою назву). Такою самою властивістю володіють і багато видів рослин. У бегонії, наприклад, нова рослина може відновитися зі шматочка листка, а троянда чи смородина може перетворитися на кущ з невеличкого пагона з двома-трьома листками.

Хребетні тварини такими феноменальними здібностями не володіють, однак можуть відновити певні частини свого тіла. Риби без проблем регенерують плавці або луску, хвостаті амфібії — кінцівки (мал. 100), ящірки — хвіст. У ссавців здатності до регенерації не втратили тільки тканини, в яких постійно відбуваються клітинні поділи, — сполучна та епітеліальна. Тому в людини регенерує шкіра й печінка, зростаються кістки, але виростити не те, щоб ногу, а й навіть новий палець не вдається.

Клонування у природі. Досить часто у природі трапляється клонування — процес утворення генетично ідентичного потомства шляхом нестатевого розмноження або партеногенезу. Воно властиве майже всім одноклітинним організмам, у яких відсутній статевий процес, організмам, що розмножуються вегетативно, партеногенетичним рослинам і тваринам, у яких не буває самців, а розвиток нового організму починається з незаплідненої яйцеклітини (яйцеклітини у таких організмів утворюються з порушеннями мейозу, а тому вони диплоїдні або навіть триплоїдні).

Але природа різноманітна, і тому навіть у ссавців, зокрема в людини, як виняток, може відбуватися нестатеве розмноження й клонування. Таким винятком є однояйцеві близнюки, які розвиваються з однієї заплідненої зиготи — тому їх ще називають монозиготними. Генетично вони абсолютно ідентичні, належать до однієї статі. Отже, виходить, що за всіма критеріями їх правильно вважати клоновими організмами. Найчастіше народжуються два однояйцевих близнюки, однак бувають випадки трьох, чотирьох і так до шести близнюків — чом не клонів? Причиною утворення монозиготних близнюків є спонтанний поділ зародка на перших етапах дроблення на частини, з яких згодом утворюються два і більше плодів, які мають спільну плаценту. Однак у 75 % випадків близнюки людей — різнояйцеві (полізиготні), оскільки походять від різних зигот. Вони можуть бути одної або різних статей, а за своїм генетичним складом ідентичні у середньому на 50 %.

Штучне клонування. Нині мікрохірургічна техніка досягла таких висот, що без особливих труднощів удається поділити ембріон ссавця на стадії дроблення на кілька частин, з яких виростити нові організми. Для цього слід зробити кілька маніпуляцій. Спочатку ембріон на ранній стадії розвитку необхідно витягти з материнського організму, мікрохірургічним шляхом поділити його на кілька частин, а потім або підсадити — імплантувати (від лат. ім — у й плантаре — саджати) у слизову оболонку матки, або у разі відсутності підходящого реципієнта (від лат. реципієне — той, хто одержує, приймає), до слушної нагоди заморозити у рідкому азоті за температури -190 °С. Дослідження кріобіологів (від грец. кріос — холод, мороз, лід і біологія) — вчених, які досліджують дію на організм низьких і наднизьких температур, показали, що за наднизьких температур 92 % ембріонів зберігають життєздатність. Згодом їх можна успішно імплантувати в матку, створивши у такий спосіб клон. Різноманітні мікрооперації на ембріонах з їх наступним підсадженням у жіночий організм з метою виростити нормальний організм, дістали назву ембріотехнології. Ембріотехнології широко застосовуються під час розведення цінних порід тварин, а також у медицині у ході лікуванні жіночої безплідності.

Уперше штучне клонування серед хребетних тварин було здійснене ще в 50-х роках XX століття. З цією метою з клітин епітелію кишечнику пуголовка жаби вилучали ядра, які потім підсадили в яйцеклітини жаби, з яких попередньо видалили ядра (мал. 101). Якщо операція проходила вдало, яйцеклітини починали дробитися й з них розвивалися пуголовки, котрі у деяких випадках доростали до дорослих жаб. Варто зазначити, що більшість таких «гібридних» особин мала вади розвитку й досить низьку життєздатність.

Здавалося б, ці маніпуляції з клітинами амфібій, що нині стали звичайними у добре оснащених цитологічних лабораторіях, можна проводити у значних масштабах, причому на інших об’єктах, зокрема ссавцях і людині. Однак більшість подібних спроб дотепер залишаються марними. Наприклад, у ссавців пересадження ядра епітеліальної клітини в яйцеклітину з наступним розвитком зародка і його успішним народженням виявилися дуже складною процедурою не лише у технічному відношенні, а й у біологічному. Справа в тому, що геном ссавців улаштований значно складніше за геном амфібій, а розвиток ембріона відбувається всередині іншого (материнського) організму. Однак вважають, що й у справі клонування ссавців досягнуті певні успіхи. Найбільш відомим випадком одержання клонового ссавця з ядер соматичної тканини стала вівця Доллі (мал. 102). Цей експеримент виглядав так. До 277 яйцеклітин були пересаджені ядра епітелію, вилучені з вимені тварин цього виду. Таким чином отримали 29 ембріонів, один з яких вижив.

Як це заманливо: одержати клони із соматичних клітин надзвичайних людей — геніальних вчених, художників, музикантів і виростити низку геніїв рівня Леонардо да Вінчі, «накарбувати» Рафаелей або Шаляпіних. Але, на жаль, сьогодні такий шлях вирішення проблеми безсмертя не реальний. А багато вчених вважають, що він принципово неможливий. Справа


Мал. 101. Клонування зелених жаб: 1 — незапліднене яйце; 2 — ультрафіолетове випромінювання, за допомогою якого знищують ядро; 3 — пуголовок; 4 — кишечник пуголовка; 5 — клітини кишечнику; 6 — мікропіпетка; 7 — ядро клітини кишечнику; 8 — яйце-реципієнт; 9 — бластула; 10 — розвиток не відбувається; 11 — ненормальний ембріон; 12 — жабеня.


в тому, що в соматичних клітинах за період їх життя накопичується чимало мутацій. Навіть якби сурогатні матері й виносили б дітей з клітин геніїв людства, такі нащадки не просто були б мало схожими на своїх геніальних батьків, а, найімовірніше, виявилися б виродками, які довго не прожили б. Як це й трапилося з вівцею Доллі, яка прожила лише 6,5 років.


Мал. 102. Вівця Доллі.


Для всіх багатоклітинних організмів характерна регенерація — властивість обновляти або відновлювати після травм частини свого тіла. Регенераційні процеси дуже легко відбуваються у низькоорганізованих тварин і більшості рослин, в яких соматичні клітини навіть зберігають тотипотентність — здатність давати початок новому організму. Високоорганізовані тварини, зокрема хребетні, можуть відновлювати тільки деякі частини свого тіла або обновляти клітини окремих тканин.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити