Реферат:

Регенерация

Введение

Регенерация (от позднелат. regeneratio - возрождение, возобновление ) в биологии, восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и тканей, а также восстановление целого организма из его части. Регенерация наблюдается в естественных условиях, а также может быть вызвана экспериментально. Некоторые животные способны восстанавливать утраченные части тела.

Возможности регенерации были описаны еще в XVIII веке, но до сих пор остаётся загадкой, как происходит этот процесс. Ученые задались вопросом, а может ли человек восстанавливать утраченные ткани, и какую роль могут играть в этом стволовые клетки.

1. Регенерация у растений

Регенерация у растений может происходить на месте утраченной части (реституция ) или на другом месте тела (репродукция ). Весеннее восстановление листьев опавших осенью - естественная регенерация типа репродукции. Обычно, однако, под регенерацией понимают лишь восстановление насильственно утраченных частей. При такой регенерации организм, прежде всего, использует основные пути нормального развития. Поэтому регенерация органов у растений происходит преимущественно путём репродукции: отнятые органы компенсируются развитием существующих или образующихся вновь метамерных заложений. Так, при отрезании верхушки побега усиленно развиваются боковые побеги. Растения или их части, развивающиеся не метамерно, легче регенерируют путём реституции, как и участки тканей. Например, поверхность ранения может покрыться так называемой раневой перидермой ; рана на стволе или ветке может зарубцеваться наплывами. Размножение растений черенками - простейший случай регенерации, когда из небольшой вегетативной части восстанавливается целое растение.

Широко распространена регенерация и из отрезков корня, корневища или слоевища. Можно вырастить растения из листовых черенков, кусочков листа (например, у бегоний). У некоторых растений удавалась регенерация из изолированных клеток и даже из отдельных изолированных протопластов, а у некоторых видов сифоновых водорослей - из небольших участков их многоядерной протоплазмы. Молодой возраст растения обычно способствует регенерации, но на слишком ранних стадиях онтогенеза[1] орган может оказаться неспособным к регенерации. Как биологическое приспособление, обеспечивающее зарастание ран, восстановление случайно утраченных органов, а нередко и вегетативное размножение, регенерация имеет большое значение для растениеводства, плодоводства, лесоводства, декоративного садоводства и др. Она даёт материал и для решения ряда теоретических проблем, в том числе и проблем развития организма.

2. Регенерация у животных

Регенерация у животных - образование новых структур взамен удалённых либо погибших в результате повреждения (репаративная регенерация ) или утраченных в процессе нормальной жизнедеятельности (физиологическая регенерация ); вторичное развитие, вызванное утратой развившегося ранее органа. Регенерировавший орган может иметь такое же строение, как удалённый, отличаться от него или совсем не походить на него (атипичная регенерация ).

Термин " регенерация " предложен в 1712 французским учёным Р. Реомюром, изучавшим регенерацию ног речного рака. У многих беспозвоночных возможна регенерация целого организма из кусочка тела. У высокоорганизованных животных это невозможно - регенерируют лишь отдельные органы или их части. Регенерация может происходить путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа в новый или путём роста остатка органа без изменения его формы.

2.1 Как это бывает

Полосатый скунс бродит лесу. Он хочет есть. Обычно он питается насекомыми, но сегодня он выследил саламандру[2] . Ей удается ускользнуть, она ныряет в воду, но от хвоста остался обрубок, саламандра стала в два раза короче. Ей нанесена ужасная рана. Но пройдет несколько недель и у нее вырастет новый хвост! Это – регенерация!

Это животное под микроскопом называется гидра[3] . Они неизменны уже сотни миллионов лет.

Гидры могут размножаться почкованием[4] . Потому они существуют так долго. Это живое ископаемое, которое встречалось еще 700 млн. лет назад. Гидры обладают исключительно высокой способностью к регенерации.

Середина 18 века. Трамбле Абраам[5] сделал открытие. Изучая гидру, он открыл явление регенерации целого организма из его части. Из массы клеток получается целое животное! Можно повторить этот эксперимент? Легко!

Если двух гидр разрезать, пополам, то понятно, что получим 4 кусочка. Через три дня появляется новая голова у каждого кусочка, и в результате, вместо двух гидр имеем четыре. Гидра воссоздает вторую половину тела. До сих пор не понятно, как это происходит!

Стволовые клетки[6] обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей. У гидры с возрастом эта способность не утрачивается. У гидры все происходит так, как будто мы имеем дело с вечным эмбрионом[7] . Гидра первое такое животное, но не единственное. Например, кораллы, морские лилии.

До открытия Трамбле было известно только о частичной регенерации. Крабы и омары обламывают клешню, которая восстанавливается. На суше – ящерицы. Клетки в месте ампутации запрограммированы на регенерацию утраченного. Но там нет стволовых клеток. Они не нужны для частичной регенерации.

Еще один пример. Планарии[8] обычно живут в пресных водоемах. У них есть нервная система. В этой лаборатории изучаются планарии. Разрезы делают в области хвоста, головы, шеи и туловища. Кусочки помещают в 4 сосуда. Каждый раз происходит удивительный процесс. Через некоторое время из каждого кусочка появляется новое независимое существо! На каждом месте разреза у планарии образуются стволовые клетки! Однако, у гидры стволовые клетки расположены в середине тела (потому гидру разрезали посередине), а у планарии стволовые клетки расположены по всему телу.

Продолжаются опыты с планарией. Ученый отсекает планарии голову и делает продольный разрез. Через определенный период времени происходит следующее. Получилась планария с двумя головами. Есть описание планарии с 10-ю головами!

Регенерация лапок у лягушек! В принципе, в природе встречаются лягушки с дополнительными лапками. Эти лягушки – не уникальны. Многие столетия были случаи появления таких монстров.

Но как быть с лишними лапками? Аксолотль[9] – родственники саламандр. Готовится операция. Ампутируют лапку и сохраняют для изучения. Животное помещают в аквариум, оно дышит жабрами. У аксолотли отрастает новая лапка, как положено, с 4-мя пальцами!

Регенерация конечности саламандры происходит, потому что клетки вокруг ранки становятся стволовыми (хотя они не были таковыми до ампутации). Тритон[10] . У него восстанавливаются челюсти и глаза.

Аксолотль. Очередной эксперимент. В лапке делают надрез, из него вытаскивают нерв и оборачивают кусочком кожи и вырастает еще одна конечность. Почему восстанавливается лапка, которая не была потеряна?

В наше время можно работать на генетическом уровне. 10 лет назад такая работа не была бы возможна. Ученые стремятся выделить гены, которые отвечают за регенерацию. При современных технологиях один ученый в состоянии исследовать 40 000 генов. Ген PIWI необходим для регенерации, но он есть и у человека. Гены планарии на 67% совпадают с генами человека.

3. Регенерация у человека

Некоторые животные способны восстанавливать утраченные части тела. А может ли человек восстанавливать утраченные органы?

Регенерация у человека (как и у животных) - образование новых структур взамен удалённых либо погибших в результате повреждения (репаративная регенерация ) или утраченных в процессе нормальной жизнедеятельности (физиологическая регенерация ); вторичное развитие, вызванное утратой развившегося ранее органа.

Представление об ослаблении способности к регенерации по мере повышения организации животных ошибочно, т.к. процесс регенерации зависит не только от уровня организации животного, но и от многих др. факторов и характеризуется значительной изменчивостью. Неправильно также утверждение, что способность к регенерации закономерно падает с возрастом; она может и повышаться в процессе онтогенеза, но в период старости часто наблюдают её снижение.

За последнюю четверть века показано, что, хотя у млекопитающих и человека целые наружные органы не регенерируют, внутренние их органы, а также мышцы, скелет, кожа способны к регенерации, которую изучают на органном, тканевом, клеточном и субклеточном уровнях.

Разработка методов усиления (стимуляции) слабой и восстановления утраченной способности к регенерации приблизит учение о регенерации к медицине.

3.1 Регенерация в медицине

Различают физиологическую, репаративную и патологическую регенерацию. При травмах и других патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей осуществляется за счёт репаративной (восстановительной) регенерации.

Если в процессе репаративной регенерации утраченная часть замещается равноценной, специализированной тканью, говорят о полной регенерации (реституции); если на месте дефекта разрастается неспециализированная соединительная ткань, - о неполной регенерации (субституции, или заживлении посредством рубцевания). В ряде случаев при субституции функция восстанавливается за счёт интенсивного новообразования ткани (аналогичной погибшей) в неповрежденной части органа. Это новообразование происходит путём либо усиленного размножения клеток, либо за счёт внутриклеточной регенерации - восстановления субклеточных структур при неизмененном числе клеток (сердечная мышца, нервная ткань).

Возраст, особенности обмена веществ, состояние нервной и эндокринной систем, питание, интенсивность кровообращения в поврежденной ткани, сопутствующие заболевания могут ослабить, усилить или качественно изменить процесс регенерации. В некоторых случаях это приводит к патологической регенерации. Её проявления: длительно незаживающие язвы, нарушения срастания переломов костей, избыточные разрастания тканей или переход одного типа ткани в другой.

Лечебные воздействия на процесс регенерации заключаются в стимуляции полной и предотвращении патологической регенерации.

А что, если бы люди могли регенерировать утраченные части тела! Но дело в то, что печень может регенерировать! Что способствует этому? Но это не стволовые клетки, клетки печени – не стволовые, хотя они могут быстро размножаться, как только получено повреждение печени.

У этого пациента вместе с опухолью удалили 60% печени. Через месяц она регенерировала недостающую часть. Можно удалить 70% печени и она регенерирует.

Однако не все части тела человека могут регенерировать. Например, новая нога, к сожалению, не может отрасти!

Научимся ли мы восстанавливать конечности? Ведь, кожа способна восстанавливаться. Можно избежать шрамов (есть специальные методики).

Лечение сахарного диабета. Эта болезнь обмена веществ, обусловленная недостатком в организме инсулина[11] . Потому больному делаются инъекции инсулина. Нужно стимулировать регенерацию клеток, которые вырабатывают инсулин. Пока результаты исследований нестабильны, а ведь 150 млн. человек в мире страдает диабетом!

Возможно, регенерация тканей – шаг к чему-то большему и нас ждет революция в медицине, которая изменит всю жизнь человека. Сотни млн. долларов тратятся на изучение регенерации. 10 лет назад такая работа не была бы возможна. Сейчас работают на генетическом уровне. Ученые могут выделить гены, которые отвечают за регенерацию.

Какую роль в восстановлении утраченных тканей могут играть стволовые клетки? Стволовые клетки находятся в центре внимания ученых.

Фирма, специализирующаяся на хранении пуповин новорожденных детей. Это источник стволовых клеток. Здесь к пуповине относятся, как к сокровищу. Сохранившиеся стволовые клетки обладают мощным потенциалом. Возможно, клетки из пуповины помогут излечить в будущем этого ребенка от болезней. Лейкемия, анемия. 3000 клиентов в этом банке пуповин. Нет гарантии, что пуповина окажется полезной, но все- таки это шанс на спасение в случае болезни.

Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге и, в очень небольших количествах, во всех органах и тканях: в коже, мышцах, жире, кишечнике, нервной ткани и даже сетчатке глаза. Недавно обнаружено, что некоторые клетки взрослого организма человека, по-видимому, хотя бы отчасти обладают способностью порождать стволовые клетки, характерные для эмбриона.

Исследования продолжаются. Нужно понять механизм процесса. Тогда можно будет лечить самые разные дефекты.

Заключение

Как происходит регенерация – пока тайна! Что нужно, чтобы клетка стала стволовой? За последние 10 лет проделано много работы. Идет усиленный поиск генов, отвечающих за регенерацию! Настал век регенерации!

До недавнего времени люди не верили, что такое возможно. В мире животных способность к регенерации – большое преимущество. Мы пока не обладаем такими способностями. Нам многому еще надо учиться.

Литература

1. Регенерация Материалы предоставлены проектом Рубрикон

2. Стволовые клетки Материалы предоставлены проектом Рубрикон

3. Плоды просвещения. "Регенерация" Документальный фильм (Франция, 2003). Режиссер Жан-Мари Корнуэль

4. Саламандры Материалы предоставлены проектом Рубрикон

5. Бабочки и аксолотли Источник http://rf.com.ua/

[1] Онтогенез – индивидуальное развитие организма, совокупность преобразований, претерпеваемых организмом от зарождения до конца жизни. Термин введен нем. биологом Э. Геккелем (1866).

[2] Саламандры , настоящие саламандры (Salamandridae), семейство хвостатых земноводных. Жабры во взрослом состоянии отсутствуют, имеются лёгкие; веки хорошо развиты; позвонки задневогнутые; оплодотворение внутреннее (при помощи сперматофора). Распространены в Европе, Азии и Северной Америке. 15 родов; наиболее известны собственно саламандры, тритоны, длиннохвостые саламандры. У собственно саламандры (Salamandra) тело плотное, неуклюжее; хвост короткий, лишённый плавательной оторочки; околоушные железы (паротиды) хорошо развиты; спинной гребень отсутствует. Окраска одноцветная чёрная, а у некоторых с крупными жёлтыми или оранжево-жёлтыми пятнами. 3 вида. В западной части Украины встречается огненная, или пятнистая, саламандра (S. salamandra), длина тела до 70 см. Живёт в сырых, тенистых местах, норах грызунов, расщелинах скал, в лесной подстилке. Самка вымётывает в воду до 72 личинок с ветвистыми жабрами. Питается мелкими беспозвоночными животными. Выделения кожных желёз огненной саламандры ядовиты; попадая на мелких животных, могут вызвать их гибель. Род длиннохвостых С . (Mertensiella) представлен 2 видами , из которых кавказская саламандра (М. caucasica) встречается на Ю.-З. Грузии. От собственно саламандры отличаются меньшими размерами и более длинным хвостом, который могут отбрасывать (автотомия), после чего хвост восстанавливается. Саламандрами называют также некоторых других земноводных (например, исполинская саламандра, безлёгочные саламандры, очковая саламандра.

[3] Гидры (Hydrida), отряд беспозвоночных животных класса гидроидных типа кишечнополостных. Тело цилиндрическое, длиной до 1 см . Около 10 видов. Обитают в пресных водоёмах, где они летом часто встречаются (на водных растениях). Гидры прикрепляется к субстрату одним концом, который имеет вид плоской подошвы. На свободном конце тела находится рот, окруженный щупальцами (в количестве 4-20) со стрекательными клетками. Несмотря на сидячий образ жизни, гидры способны к медленному передвижению. Размножаются половым путём и почкованием; почкуются обычно летом; почки вырастают на средней части тела гидры, на свободном конце их образуются рот и щупальца, затем они отрываются от тела материнской особи. Одни гидры раздельнополые, другие - гермафродиты. Оплодотворение яйцеклеток происходит внутри тела матери. К осени большая часть гидры погибает, а окруженные прочной оболочкой оплодотворённые яйцеклетки остаются в покоящемся состоянии до весны, когда из них выходят вполне сформированные молодые гидры. Гидры обладают исключительно высокой способностью к регенерации.

[4] Почковани е , один из способов бесполого (вегетативного) размножения животных и растений. Почкование осуществляется путём образования на материнском организме почки - выроста, из которого развивается новая особь. Среди животных почкованием размножаются простейшие (некоторые жгутиковые, инфузории, споровики), губки, кишечнополостные, некоторые черви, мшанки, крыложаберные и оболочники. У животных почкование бывает наружным и внутренним; первое делят на париетальное, при котором почки образуются на теле матери, и столониальное почкование, когда почки формируются на специальных выростах - столонах (некоторые кишечнополостные и оболочники). При внутреннем почковании новая особь развивается из обособленного внутреннего участка тела матери; таковы геммулы губок и статобласты мшанок, имеющие защитные оболочки и служащие преимущественно для переживания в зимних или засушливых условиях, когда материнский организм погибает. У ряда животных почкование. не доходит до конца, молодые особи остаются соединёнными с материнским организмом; в результате возникают колонии, состоящие из множества особей (см. Колониальные организмы). Иногда почкование можно вызвать искусственно различными воздействиями на материнский организм, например ожогами или порезами.

[5] Трамбле Абраам (1710-1784), швейцарский натуралист, член Лондонского королевского общества (1743). Изучая гидру, открыл явление регенерации целого организма из его части. В 1744 опубликовал знаменитые "Мемуары к истории одного рода пресноводных полипов с руками в форме рогов", принесшие ему славу и оказавшие большое влияние на натуралистов его времени, т. к. утверждали экспериментальный метод в биологии. Впоследствии писал сочинения религиозно-нравоучительного характера

[6] Стволовые клетки - клетки, входящие в состав постоянно обновляющихся тканей животных и способные развиваться в различных направлениях, в пределах тканевой. Дифференцировка — превращение первоначально одинаковых клеток в специализированные (кровяные клетки, нейроны, мышечные клетки).

[7] У человеческого зародыша стволовые клетки превращаются в специфические . Стволовые клетки делятся на эмбриональные и соматические , т.е. клетки взрослого организма. Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге и, в очень небольших количествах, во всех органах и тканях: в коже, мышцах, жире, кишечнике, нервной ткани и даже сетчатке глаза. Недавно обнаружено, что некоторые клетки взрослого организма человека, по-видимому, хотя бы отчасти обладают способностью порождать стволовые клетки, характерные для эмбриона.

[8] Планарии – группа крупных (длиной обычно до 35 см) ресничных червей. Распространены широко. Свободноживущие. В пресных водах, реже в морях и на почве (в тропиках).

[9] Аксолотль – личинка хвостатых земноводных - амбистом. Способна к размножению (неотения). В естественных условиях иногда не превращается во взрослую форму. Объект экспериментальных работ. Содержат его в аквариумах, оно небольшое — с ладонь, серовато-зеленое, с вытянутой и притупленной мордой, маленькими глазками и наружными веточками-жабрами. А аксолотль так и живет всю жизнь — личинкой. И размножается личинкой. И на сушу никогда не выходит — куда ему, с наружными жабрами-веточками! Но если в воду, где живет аксолотль, добавить раствор определенных гормонов, аксолотль начинает меняться. Хвост, правда, у него не отпадает, зато появляются большие глаза, меняется окраска, тело становится стройнее и… меньше, веточки-жабры исчезают, вместо них появляются легкие, и вот уже перед нами стройное большеглазое сухопутное существо, напоминающее саламандру! Это и есть родственник саламандры — амблистома (амбистома). Ведь у саламандры личинки очень похожи именно на аксолотлей! Амблистома может размножаться — при этом на свет она производит… Тоже аксолотлей. Но сами аксолотли превращаться во взрослую форму без толчка извне разучились. Зато они научились размножаться в личиночном состоянии. Это явление называется « неотения». Мало того, в пещерных озерах восточной и центральной Европы обитают белесые слепые существа с пурпурными жабрами-веточками — близкие родственники аксолотлей, которых не удается превратить во взрослую форму никакими инъекциями и добавлением гормонов. Так никто и не знает, как эта самая взрослая форма выглядит. Скромный аксолотль обладает для ученых и фантастов необыкновенной (в основном спекулятивной) привлекательностью. А что, если предположить, что человек тоже вот такая — неотеническая личинка, способная рано или поздно превратиться во взрослую форму, обладающую какими-то совершенно неожиданными качествами!

[10] Настоящие водяные тритоны , которые являются родственниками (семейство Triturus) саламандр, находятся под защитой. Содержание их в террариумах ограничено. Обитают главным образом в лесах, в горах поднимаются до 2700 м. В период размножения тело самцов приобретает яркую окраску. Весной или в начале лета тритоны переселяются в стоячие или слабопроточные водоемы, где самка откладывает от 30 до 650 яиц. Питаются червями, слизнями, мокрицами, мухами, сверчками и улитками. В России наиболее распространен обыкновенный тритон. Живет в воде, но зимует на суше. Весной, через 5-9 дней после прихода в воду, приступает к размножению. Откладке сперматофора предшествуют брачные игры. Обычное число икринок около 150. Каждую икринку самка откладывает на листок водного растения так, что икринка оказывается завернутой в лист. Через 2-3 недели появляются личинки, которые начинают питаться на вторые сутки после выклева. Личинки при температуре воды 12-18°C проходят метаморфоз через 60-70 суток. Половозрелость наступает на 2-3-м году жизни. Часто содержатся в террариумах, где достигают 27 летнего возраста.

[11] Инсулин – белковый гормон животных и человека, вырабатываемый поджелудочной железой. Понижает содержание сахара в крови, задерживая распад гликогена в печени и увеличивая использование глюкозы мышечными и др. клетками. Недостаток инсулина приводит к сахарному диабету.