Человек - саламандра. Миф или реальность

Человек – саламандра.

Фантастика или реальность?

МОУ средняя общеобразовательная школа №27

Плахотин Кирилл, 9а класс, МОУ СОШ № 27

Руководитель: Суховеенко Раиса Егоровна, учитель биологии МОУ СОШ № 27

Содержание

Введение

Феномен регенерации у некоторых животных известен с древних времен, но то, как она происходит, какие факторы влияют на неё до конца не изучено. Актуальность данной темы состоит в том, что исследования в этом направлении проводятся очень активно, появилась новая отрасль – «регенеративная медицина» с её возможностями выращивания сердца, печени, почек и даже конечностей с собственным кровоснабжением для замены больных органов. Ученые дают благоприятные прогнозы по развитию этого направления биологии и медицины. Их связывают, прежде всего, с исследованием бластем - групп стволовых клеток, способных расти и развиваться в органы и части тела.

Цель исследования

Теоретически изучить виды регенерации у различных животных и человека. Познакомиться с современными достижениями в медицине, связанными с процессом регенерации. Оценить в эксперименте возможности регенерации обыкновенной или прыткой ящерицы.

Задачи исследования

1. Теоретически и экспериментально выяснить, что такое регенерация и оценить факторы, влияющие на этот процесс.
2. Проанализировать отличия процесса регенерации у различных животных и человека.
3. Изучить данные о роли стволовых клеток в процессах регенерации.
4. Познакомиться с современными достижениями и перспективами исследования процессов регенерации в улучшении здоровья человека.

Глава I

Аналитический обзор литературы

1. Что такое регенерация и зачем она нужна.

Регенерация (в переводе с латинского языка — возрождение, возобновление)  - это восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и тканей, а также восстановление целого организма из его части.

Различают два вида регенерации: физиологическую и репаративную.

Восстановление органов, тканей, клеток или внутриклеточных структур после разрушения их в процессе жизнедеятельности организма называют физиологической регенерацией. Примерами физиологической регенерации являются обновление эпидермиса кожи, роговицы глаза, эпителия слизистой кишечника, клеток периферической крови и др. Обновляются и производные эпидермиса — волосы и ногти. Физиологическая регенерация присуща организмам всех видов, но особенно интенсивно она протекает у теплокровных позвоночных, так как у них вообще очень высока интенсивность функционирования всех органов по сравнению с другими животными.

Восстановление структур после травмы или действия других повреждающих факторов называют репаративной регенерацией. Механическая травма, оперативное вмешательство, действие ядовитых веществ, ожоги, обморожения, лучевые воздействия, голодание, другие болезнетворные агенты — все это повреждающие факторы. Наиболее широко изучена регенерация после механической травмы. Способность некоторых животных, таких, как гидра, планария, некоторые кольчатые черви, морские звезды, асцидия и др., восстанавливать утраченные органы и части организма издавна изумляла ученых.  Ч. Дарвин, например, считал удивительными способность улитки воспроизводить голову и способность саламандры восстанавливать глаза, хвост и ноги именно в тех местах, где они отрезаны [1, 4, 5].

2. Отличия процесса регенерации у различных животных и человека.

От чего же зависит регенерация и как она различается у различных животных?  В настоящее время установлено, что  лучшей способностью к регенерации наружных органов обладают гидры и другие животные из класса кишечнополостных, планарии (плоские черви), кольчатые черви, членистоногие, иглокожие, низшие хордовые, например асцидии. Эта способность к регенерации связана  с простотой строения их тела. У этих животных специальные клетки (стволовые клетки) – из которых могут образовываться всевозможные клетки организма, разбросаны по всему телу. Отрезанный кусочек сжимается, стволовые клетки внутри него перестраиваются, и возникает целая особь, только уменьшенных размеров, которая затем растет. Этот способ регенерации впервые описал Т. Морган в 1900 г.

Другой способ репаративной регенерации, заключающийся в отрастании нового органа от ампутационной поверхности, например, регенерация конечности или хвоста, характерен для земноводных (тритона, саламандры, аксолотля). В организме этих животных нет достаточного количества стволовых клеток как у беспозвоночных, но они обладают способностью образовывать их в месте повреждения путем дедифференциации, то есть упрощения специализированных клеток. В месте повреждения образуется так называемая регенерационная бластема. Все клетки бластемы вначале выглядят одинаково, но затем из этих одинаковых клеток образуются  (дифференцируются) клетки разных тканей, формирующих растущую конечность или хвост. Длина и масса регенерационной бластемы быстро увеличиваются. Рост бластемы происходит на фоне идущего полным ходом формирования черт конечности, т.е. ее морфогенеза. Когда форма конечности в общих чертах уже сложилась, регенерат все еще меньше нормальной конечности. Чем крупнее животное, тем больше эта разница в размерах. Для завершения морфогенеза требуется время, по истечении которого регенерат достигает размеров нормальной конечности

Регенерация у млекопитающих и человека отличается своеобразием.  Известно только два вида клеток, которые могут регенерировать - это клетки крови и клетки печени. Но здесь принцип регенерации иной. Когда эмбрион млекопитающего развивается, немножко клеток остается в стороне от процесса специализации. Это - стволовые клетки. Они обладают способностью пополнять запасы крови или отмирающих клеток печени. Костный мозг тоже содержит стволовые клетки, которые могут становиться мышечной тканью, жиром, костями или хрящами  в зависимости от того, какие питательные вещества им даются, но пока только в пробирках. Почему же млекопитающие не способны к регенерации в такой же степени, как простейшие и земноводные? Это связано с мощной иммунной системой, имеющейся у млекопитающих. В настоящее время многие ученые пришли к выводу, что организмы первоначально имели два способа исцеления от ран - иммунную систему и регенерацию. Но в ходе эволюции обе системы стали несовместимы друг с другом,  и пришлось выбирать. Хотя регенерация может на первый взгляд показаться лучшим выбором, Т-клетки для нас насущней. Ведь они - основное оружие организма против опухолей. Получается, что иммунная система, защищая нас от инфекций и рака, одновременно подавляет наши способности к "саморемонту " [4, 5].

3. Что такое стволовая клетка и ее роль в регенерации.

В предыдущей части мы уже говорили о стволовой клетке и об ее участии в регенерации. Понятие «стволовые клетки» впервые появилось в России еще в начале прошлого века. Тогда великий российский гистолог А.А.Максимов, изучая процесс кроветворения, пришел к выводу об их существовании. Что же это за клетки и каковы их отличительные свойства?

Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма – и кожным, и нервным, и клеткам крови. Сначала считали, что стволовые клетки есть только в эмбриональных тканях. В 70-е годы  ученые обнаружили их во взрослом костном мозге, а затем - практически во всех органах взрослых животных и человека. В связи с этим принято разделять стволовые клетки на эмбриональные стволовые клетки (выделяют из эмбрионов на очень ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки (выделяют из органов взрослых особей).

Стволовые клетки можно выделять и растить в культуре ткани. Способность давать множество разнообразных клеточных типов делает стволовые клетки важнейшим восстановительным резервом в организме, который используется для замещения дефектов в разных органах и тканях, возникающих в силу тех или иных обстоятельств. Особое удивление биологов вызвало присутствие стволовых клеток в центральной нервной системе. Как известно, сами нервные клетки утрачивают способность к размножению уже на самой ранней стадии своего развития. В народе даже говорят, что нервные клетки не восстанавливаются. Оказывается, это заблуждение: стволовые клетки в ответ на различные поражения нервной ткани начинают делиться с последующей дифференцировкой в нервные клетки.

Что же нового дало открытие стволовых клеток во взрослом организме? Был сделан новый и очень важный вывод: стволовые клетки с высоким потенциалом к развитию сохраняются и во взрослом организме и, следовательно, дают большие возможности для восстановления при его повреждении. В ходе клеточного деления из стволовых клеток возникают материнская и дочерняя клетки. Материнские используются для самоподдержания популяции, а дочерние используются для процессов репарации. Стволовая клетка сохраняет свойства ранних эмбриональных клеток – плюрипотентность, то есть из нее при определенных условиях может образоваться клетка любой ткани организма [2, 3, 6].

4. Репаративная регенерация в современной медицине.

Ученые нашли немало работы для стволовых клеток и уже сейчас они применяются для восстановления и лечения организма. В настоящее время стволовые клетки уже используют для лечения рака крови, некоторых заболеваний нервной системы (рассеянный склероз), ревматоидный артрит и других заболеваний. В Санкт-Петербурге несколько лет назад открылся Центр имени Р. М. Горбачевой, а в Москве -  Центр гематологии им. А.А. Максимова, где используют методы лечения как собственными, так и донорскими  стволовыми клетками. В Российском институте травматологии и ортопедии исследователи получают стволовые клетки из костного мозга. После 4-6 недель размножения в культуре их пересаживают в сустав, где они реконструируют хрящевые поверхности.  Проходят клинические испытания методы лечения сахарного диабета и выращивания новых зубов.

Эффективно разработанные технологии трансплантации стволовых клеток могут полностью изменить нашу жизнь. Но это будущее, а сегодня у этой области знаний нет даже своего названия, только варианты: «клеточная терапия», «трансплантация стволовых клеток», «медицина регенерации», даже «инженерия тканевая» и «инженерия органная». Недаром говорят, что XXI век пройдет под знаком биологии, и, возможно, опыт регенерации, сохраненный на протяжении миллионов лет земноводными и простейшими, поможет человечеству [3, 4, 6, 7]. 

Глава II

Экспериментальная часть: регенерация хвоста у ящерицы обыкновенной

2.1. Характеристика материала и методов исследования. 

Длительность эксперимента составила 52 календарных дня:  с 20.08.11 по 10.10.11.

Для исследования скорости и характера регенерации хвостов у ящериц были пойманы две обыкновенные (прыткие) ящерицы, которым были присвоены номера и имена (рис.1, рис.2). 

                                    Рис 1. Ящерица №1 (Б). 20.08.2011.

                                            Рис. 2. Ящерица №2 (М). 20.08.2011.

На основании осмотра ящериц был сделан вывод, что ящерица №2 моложе (меньше длина и вес, более светлая окраска). У ящерицы №1, вероятно, уже происходила регенерация хвоста, о чем можно судить по более темной окраске кончика хвоста и наличию сужения на нем (Рис. 3). Эти различия были изучены и отмечены потому, что они могли повлиять на процесс регенерации. В остальном ящерицы находились в одинаковых условиях. В течение недели до купирования хвоста они наблюдались в условиях террариума объемом 60 литров с прозрачными стенками. В террариуме были созданы обычные условия их обитания: участки песка, камней, травы, водоем, ветки. Кроме того, в террариуме был установлен источник искусственного освещения, который включали в 8 часов и выключали в 18 часов. Ящерицы очень быстро адаптировались к новым условиям обитания, были подвижными, сохранили свой обычный суточный ритм и хороший аппетит. Кормили их один раз в день мотылем и специальным кормом «Tetra ReptoFrog», который ящерицы съедали без остатка за 15-20 минут.

                                   Рис. 3. Изменения кончика хвоста у ящерицы №1.

Сравнительная характеристика подопытных ящериц представлена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика подопытных ящериц

В процессе работы использовано следующее экспериментальное оборудование: террариум, лупа, линейка, фотоаппарат. Через определенные периоды выполнялось измерение длины хвостов с описанием их внешнего вида с занесением полученных данных в таблицы и последующим сравнительным анализом.

2.2. Купирование хвостов у ящериц.

После недельного периода адаптации было доказано, что обыкновенная  ящерица хорошо приспосабливается к условиям содержания в неволе, остается активной, имеет хороший аппетит и сохраняет суточное чередование сна и бодрствования. На следующем этапе проведено купирование хвостов. Хвосты купированы следующим образом: тупым деревянным шпателем прижимали хвост на расстоянии ≈ 1,5 см от кончика хвоста, после чего ящерицы отбрасывали этот участок хвоста. Ящерицы вели себя спокойно, место отрыва сразу сокращалось, видимого кровотечения не было. Отброшенный участок хвоста активно двигался и изгибался в течение 5 минут самостоятельно (Рис. 3).

                             Рис. 4. Ящерица №1 после купирования хвоста.

С биологической точки зрения, активно двигающийся отброшенный хвост отвлекает хищника от самой ящерицы, которая в это время может спастись. Движения кончика хвоста можно объяснить хорошо развитой автономной нервной системой, которая при утрате связи с центральным нервным узлом, продолжает еще какое-то время посылать хаотические импульсы, вызывая сокращения мышц.

Этот этап эксперимента подтвердил способность отбрасывать хвост ящерицами в ответ на болевое раздражение. Ящерица отбрасывает хвост  по позвонку, тело которого состоит из двух костных пластинок, соединенных хрящевой перемычкой, в этом месте и происходит перелом. 

2.3. Наблюдение за регенерацией хвостов у ящериц.

Наблюдение за регенерацией хвостов заключалось в измерении длины хвостов и описании их внешнего вида. Измерения проводились при помощи миллиметровой линейки (рис. 5) в вечернее время, когда ящерицы становились более спокойными.

                                         Рис. 5. Измерение длины хвостов. 30.08.2011.

Динамика длины хвостов у ящериц представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Изменение длины купированного хвоста

Скорость регенерации хвоста у ящерицы № 2 значительно выше, чем у ящерицы №1. Через 45 суток после купирования хвоста его длина восстановилась до прежних размеров. У ящерицы №1 регенерация происходила значительно медленнее и через 45 суток длина хвоста увеличилась только на 0,3 см.

При описании внешнего вида купированного хвоста использовали лупу с 8-кратным увеличением. Основные изменения во внешнем виде области купирования хвостов представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Динамика изменений в области регенерации

У ящерицы № 2 при более высокой скорости роста хвоста происходили и более выраженные видимые изменения в области регенерации. Очень быстро (через 7 суток) кончик хвоста принял прежнюю заостренную форму. В это же время стали появляться более темные сегменты, количество и ширина которых увеличивались (рис. 6).

                                            Рис. 6.  Внешний вид регенератов у ящериц к окончанию эксперимента.

У ящерицы № 2 на фоне низкой скорости роста хвоста мы не наблюдали его заострения. Кончик хвоста остался закругленной формы, было отмечено всего два кольца регенерации, которые к концу наблюдения стали утолщаться, но практически не увеличивались в ширину (рис. 6).

Таким образом, на третьем этапе эксперимента мы подтвердили возможность регенерации отброшенного хвоста у ящериц обыкновенных. Было также показано, что скорость регенерации может различаться. В нашем случае на нее повлияли возраст: ящерица №1 по внешнему виду была старше ящерицы №2. На скорость и характер регенерации влияют перенесенные ранее травмы и уже произошедшая регенерация, видимые признаки которой мы наблюдали у ящерицы №1. Зависимость регенерации от влияния окружающей среды мы не оценивали, так как ящерицы находились в одинаковых условиях. Но можно предположить, что неблагоприятные условия обитания, недостаточное питание также отрицательно повлияют на скорость и характер регенерации.

Выводы

1. Процессы регенерации имеют большие межвидовые и внутривидовые различия.
2. Внутри вида регенерация зависит от возраста и состояния организма (наличие травм и эпизодов регенерации в прошлом).
3. Возможности применения регенерации в медицине зависят от умения управлять стволовыми клетками.
4. Современная регенеративная медицина позволяет лечить многие заболевания и является одной из наиболее перспективных отраслей на стыке медицины и биологии.

Заключение

Результаты проведенной работы наглядно показали возможности регенерации, её зависимость от возраста, состояния организма. В процессе анализа литературы получены новые знания о современном состоянии проблемы. Практическая значимость работы заключается в том, что полученные теоретические и экспериментальные данные можно использовать на уроках биологии, занятиях биологического кружка, элективных курсах по биологии.

Когда-нибудь человек научится изменять клетки в нужных местах организма так, чтобы регенерация и иммунная система не противостояли, а дополняли друг друга. И это будет замечательно. Никаких протезов, очков, шрамов, лысин, зубных коронок... А также дырок в коре головного мозга, эмфизем в легких, расширенных вен и тромбов, инвалидных колясок и костылей. Жизнь человека должна быть не только долгой, но и полноценной.

Литература

1. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития. - М.: МГУ, 2002. - 262 с.
2. Корочкин Л.И. Проблема стволовых клеток // Онтогенез. – М., 2003. - Т.34. - №3. – С.164-166.
3. Корочкин Л.И. Что такое стволовые клетки // Природа. - М.: Наука, 2005. - № 6. – С. 3-12.
4. Мэттсон П.  Регенерация – настоящее и будущее / пер. с англ. А.Л.Лиознера; под ред. И с послесл. А.Г.Бабаевой. – М.: Мир, 1982.- 175с.
5. Пехов А.П. Биология с основами экологии / учебник для вузов – 2-е изд., испр. И доп. – Спб.: Лань, 2004. – С. 79 – 104.
6. Репин В.С., Ржанинова А.А., Шаменков Д.А. Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина. - М.: Наука, 2002. – С. 7-14.
7. Репин В.С., Сухих Г.Т. Медицинская клеточная биология. - М.:БЭБиМ, 1998. – С. 23-47.