Взаимосвязь нервной системы и иннервируемого ею органа в онтогенезе

Взаимодействие между центрами ЦНС и иннервируемыми органами устанавливается на ранних этапах эмбриогенеза, причем эти структуры взаимно стимулируют развитие друг друга. Отсутствие периферических нервов или их повреждение (например, лекарственными препаратами, токсинами токсоплазмы и др.) вызывают нарушение формирования иннервируемых ими структур. Так, например, в Европе родились несколько сотен детей с отсутствием конечностей, матери которых в период беременности принимали снотворное талидомид.

В постнатальном периоде сохраняется взаимосвязь между нервной системой и иннервируемыми органами. Родовые травмы головного мозга и периферических нервов приводят не только к параличам, но и к атрофии мышц и отставанию роста соответствующих конечностей или односторонней гипотрофии структур лица (при врожденном параличе VI-VII черепных нервов). Способствуют восстановлению поврежденных структур головного и спинного мозга пассивные движения (для этого созданы специальные аппараты), массаж и физиотерапевтическая стимуляция иннервируемых органов.

При нейрофиброматозе (аутосомно-доминантный тип наследования) развиваются опухоли периферических нервов. Если заболевание начинается в раннем детстве, то на той стороне тела, где развиваются опухоли, возникает гипертрофия костей и мягких тканей. Например, развивается дизморфоз лица (несимметричное, непропорциональное развитие структур, формирующих лицо).

Установлено, что в раннем детстве игры, способствующие движению кистей рук, особенно мелкие, точные формы деятельности, стимулируют развитие структур головного мозга, в том числе и развитие интеллекта.

Разберите схемы экспериментов по изучению взаимосвязи нервных центров и иннервируемых органов.

Удаление нерва на левой стороне зародыша аксолотля привело к отсутствию конечности на оперированной стороне тела. Отсутствие конечности может быть обусловлено действием нейротропных тератогенов (токсины при токсоплазмозе, талидомид и др.).

Удаление зачатка конечности у зародыша аксолотля приводит к уменьшению размеров ганглиев и рогов серого вещества спинного мозга на оперированной стороне

44. Гуморальная регуляция развития, механизмы и уровни гормональной регуляции.

Гуморальная регуляция тесно связана с нервной и образует совместно с ней единый нейро-гуморальный механизм регуляторных приспособлений организма. Нервные и гуморальные факторы столь тесно переплетаются друг с другом, что всякое противопоставление их недопустимо, как и недопустимо расчленение процессов регуляции и координации функций в организме на автономные ионные, вегетативные, анимальные компоненты. Все эти виды регуляции настолько тесно связаны друг с другом, что нарушение одного из них, как правило, дезорганизует и остальные.

Гуморальные механизмы филогенетически более древние, они имеются даже у одноклеточных животных и приобретают большое разнообразие у многоклеточных и особенно у человека.

Нервные механизмы регуляций образовались филогенетически и формируются постепенно в онтогенезе человека. Такие регуляции возможны лишь в многоклеточных структурах, имеющих нервные клетки, объединяющиеся в нервные цепи и составляющие рефлекторные дуги.

Гуморальные регуляции осуществляются путем распространения сигнальных молекул в жидкостях организма по принципу "всем, всем, всем", или принципу "радиосвязи".

Нервные регуляции осуществляются по принципу "письмо с адресом", или "телеграфной связи". Сигнализация передается от нервных центров к строго определенным структурам, например к точно определенным мышечным волокнам или их группам в конкретной мышце. Только в этом случае возможны целенаправленные, координированные движения человека.

Гуморальные регуляции, как правило, осуществляются медленнее, чем нервные. Скорость проведения сигнала (потенциала действия) в быстрых нервных волокнах достигает 120 м/с, в то время как скорость транспорта сигнальной молекулы с током крови в артериях приблизительно в 200 раз, а в капиллярах - в тысячи раз меньше.

Приход нервного импульса к органу-эффектору практически мгновенно вызывает физиологический эффект (например, сокращение скелетной мышцы). Реакция на многие гормональные сигналы более медленная. Например, проявление ответной реакции на действие гормонов щитовидной железы и коры надпочечников происходит через десятки минут и даже часы.

Гуморальные механизмы имеют преимущественное значение в регуляции процессов обмена веществ, скорости деления клеток, роста и специализации тканей, полового созревания, адаптации к изменению условий внешней среды.

Гуморальные регуляции подразделяют на эндокринные и местные. Эндокринные регуляции осуществляются благодаря функционированию желез внутренней секреции (эндокринных желез), которые представляют собой специализированные органы, выделяющие гормоны.

Отличительной особенностью местных гуморальных регуляций является то, что биологически активные вещества, вырабатываемые клеткой, не поступают в кровоток, а действуют на продуцирующую их клетку и ее ближайшее окружение, распространяясь за счет диффузии по межклеточной жидкости. Такие регуляции подразделяют на регуляцию обмена веществ в клетке за счет метаболитов, аутокринию, паракринию, юкстакринию, взаимодействия через межклеточные контакты. Во всех гуморальных регуляциях, осуществляемых с участием специфических сигнальных молекул, важную роль играют клеточные и внутриклеточные мембраны.

Таким образом, в организме существует сложная система регуляции синтеза и секреции гормонов, в которой важнейшая роль принадлежит гипоталамическим нейрогормонам, обеспечивающим систему обратной связи между гипоталамусом, гипофизом и периферическими железами-мишенями. Потоки нервной и эндокринной информации сливаются в гипоталамусе. В гипоталамусе в ответ на эту информацию определяется продукция гормонов самого гипоталамуса, гипофиза и периферических эндокринных желез. Гормоны периферических эндокринных желез, в свою очередь, контролируют секрецию гипоталамических гормонов. В конечном итоге в здоровом организме содержание гормонов в крови поддерживается по принципу саморегулирования.

Источник образования гормона	Гормоны	Основные эффекты
Гипоталамус Гипофиз Эпифиз (шишковидное тело) Щитовидная железа Поджелудочная железа Надпочечники Яичники: фолликулы желтое тело Плацента Семенники Тимус	Либерины Статины Гонадолиберин Соматропный гормон Тиреотропный гормон(ы) Адренокортикотропный гормон (АКТГ) Гонадотропины: а) фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) б) лютеинизирующий гормон (ЛГ) в) пролактин (лютеотропный гормон - ЛТГ) Мелатонин (синтезируется ночью) Серотонин (синтезируется днем) Тироксин Инсулин Кортизол Эстрогены Прогестерон Прогестерон Хорионический соматомаммотропин (плацентарный гормон роста) Тестостерон Фактор, ингибирующий парамезонефральные протоки Дигидротестостерон Тимозин	В раннем эмбриогенезе гормоны гипоталамуса влияют на дифференцировку и миграцию нейронов. В позднем эмбриогенезе и постнатальном периоде - регулируют развитие опосредованно путем изменения синтеза гормонов гипофиза. Усиливают синтез гормонов аденогипофиза. Тормозят синтез гормонов аденогипофиза. Определяет момент наступления половой зрелости и характер полового поведения. Усиливает пролиферацию клеток и синтез белка. В постнатальном периоде регулирует рост. Ускоряет рост и дифференцировку клеток щитовидной железы. Стимулирует рост надпочечников и продукцию стероидов. Усиливают пролиферацию стволовых клеток, рост фолликулов в яичниках, стимулируют рост семенных канальцев и семенников, образование половых гормонов в гонадах. Инициируют гаметогенез. Поддерживает желтое тело беременности в активном состоянии. Стимулирует рост молочной железы и секрецию молока. Регулирует суточные биологические ритмы, половое созревание и репродуктивные функции. Чувствительные к серотонину нейроны регулируют поведение, сон, процессы терморегуляции. Регуляция двигательной активности пищеварительного тракта. Повышает интенсивность обмена веществ и синтеза белка; регулирует развитие головного мозга, рост и пропорции тела. Необходим для нормального развития производных кожи. Инициирует дифференцировку молочной железы. Усиливает пролиферацию. Необходим для нормального развития многих органов на поздних стадиях онтогенеза. Стимулирует поздние стадии дифференцировки молочных желез. Стимулируют развитие женских вторичных половых признаков; способствуют пролиферации и секреции в эпителиальных клетках матки; начальных изменений в молочных железах. Сохранение беременности; дальнейшая дифференцировка молочных желез. Дальнейшая пролиферация эпителия матки и сохранение беременности; дальнейшая дифференцировка молочных желез. Действие, сходное с действием гормона роста и пролактина гипофиза. Определяет развитие мужских половых путей, семенников, вторичных половых признаков и гормональной функции гипоталамуса (в эмбриогенезе), ингибирует развитие молочных желез, регулирует рост тела. Регрессия парамезонефральных мюллеровых протоков. Развитие предстательной железы, пениса, мошонки. Пролифирация Т-лимфоцитов.

IV. ОРГАНИЗМЕННЫЙ (ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ) УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

45. Дифференцировка, ее генетические и негенетические механизмы, стадии.

Дифференцировка — это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. В самом узком смысле это изменения, происходящие в клетке на протяжении одного, нередко терминального, клеточного цикла, когда начинается синтез главных, специфических для данного клеточного типа, функциональных белков. Примером может служить Дифференцировка клеток эпидермиса кожи человека, при которой в клетках, перемещающихся из базального в шиповатый и затем последовательно в другие, более поверхностные слои, происходит накопление кератогиалина, превращающегося в клетках блестящего слоя в элеидин, а затем в роговом слое — в кератин. При этом изменяются форма клеток, строение клеточных мембран и набор органоидов. На самом деле дифференцируется не одна клетка, а группа сходных клеток. Примеров можно привести множество, так как в организме человека насчитывают порядка 220 различных типов клеток. Фибробласты синтезируют коллаген, миобласты — миозин, клетки эпителия пищеварительного тракта — пепсин и трипсин.

В более широком смысле под дифференцировкой понимают постепенное (на протяжении нескольких клеточных циклов) возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из более или менее однородных клеток одного исходного зачатка. Этот процесс непременно сопровождают морфогенетические преобразования, т.е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловливаемые самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции.

Генетические основы клеточной дифференцировки объясняет гипотеза дифференциальной активности генов.

Согласно ей различия в спектре белков, образуемых дифференцируемыми клетками, отражают различия в наборе активных генов. В клетках любого направления специализации выделяют как бы 3 группы активных генов:

- контролирующие фундаментальные процессы жизнедеятельности клеток и активные во всех живых клетках

- обусловливающие сходные черты клеток одной ткани

- контролирующие черты специфичные для клеток конкретного типа

Условно можно выделить 3 этапа дифференциации клеток, в ходе которой изменяется степень их детерминированности.

Первый этап — этап тотипотентности сохранения равнонаследственности клеток. Бластомеры видов с радиальным типом дробления сохраняют тотипотентность в течение нескольких поколений клеток у гидромедузы до стадии 32 бластомеров, каждый из которых может развиваться в полноценный организм

Тотипотентность сменяется однозначной детерминированностью постепенно.

На промежуточном втором этапе — этапе зависимой дифференцировки клеточный материал способен к трансдетерминации. Эксплантация зачатка органа, находящегося на втором этапе дифференцировки, в нетипичное окружение приведёт к изменению хода его дифференцировки трансдифференцировке. Например, пересаженный в эктодерму участок мезодермы амфибий развивается далее как эктодерма. Впоследствии возможность развития в нескольких направлениях резко сужается из-за канализации развития.

Третий этап — этап независимой дифференцировки характеризуется тем, что закономерные преобразования клеточного материала ткани, органа продолжаются даже при изменении внешних условий.

46. Целостность онтогенеза. Мозаичное и регуляционное развитие (опыты В. Ру, Г. Дриша, О. Гертвига).

Целостность организма — его внутреннее единство, относительная автономность, несводимость его свойств к свойствам отдельных его частей, подчиненность частей целому — проявляется в течение всех стадий онтогенеза. Таким образом, онтогенез представляет собой упорядоченное единство последовательно чередующихся состояний целостности.

Целостность онтогенеза базируется на действии системно-регуляторных факторов:

цитогенетических,
морфогенетических,
морфофизиологических,
гормональных,
у большинства животных также нейрогуморальных.

Основные механизмы интеграции — межклеточные и межзачатковые (межклеточные групповые) взаимодействия, а также гуморальная и нервная регуляция развития.

Жесткая детерминация судьбы бластомеров, определяемая составом веществ попавшего туда участка цитоплазмы яйца, обнаружена у ряда других животных, например, гребневиков, круглых и кольчатых червей, моллюсков. Тип развития животных, дифференцировка клеток которых определяется очень рано в развитии благодаря, прежде всего, ово(оо)плазматической сегрегации, назвается мозаичным.

Помимо ово(оо)плазматической сегрегации в определении судьбы бластомеров на самых ранних этапах развития может принимать участие и другой системный механизм — межклеточные взаимодействия. В этом случае развитие бластомеров в большей степени зависит от их взаимодействий с соседними клетками, межклеточным матриксом, что определяется положением этих бластомеров в зародыше. Подобный тип развития, наблюдаемый у иглокожих и позвоночных, включая плацентарных млекопитающих и человека, назвается регуляционным.

Выясняя проблему факторов развития,Вильгльм Ру убивал нагретой иглой на ранней стадии развития оплодотворенного яйца один из двух первых бластомеров и наблюдал образование половинного зародыша, что, казалось, подтверждало мозаичную теорию согласно которой зародыш на ранних этапах эмбриогенеза представляет собой как бы мозаику из различно детерминированных бластомеров, неспособных изменять направление своего развития. Опыты В. Ру были встречены весьма критически. О. Гертвиг получил иной результат - из половины яйца развивался не половинный зародыш, а целый, только уменьшенных размеров. Г. Дриш (род. в 1867) и другие показали, что из небольших долей яйца развивается каждый раз целый нормальный зародыш, только соответственно уменьшенных размеров. Таким образом «мозаичная теория» как теория общего значения должна была быть отвергнута.

47. Эмбриональная регуляция. Детерминация частей развивающегося зародыша. Изменение потенций элементов зародыша в процессе развития, канализация развития.

В условиях нормального развития преобразования структур и частей развивающегося зародыша и развивающегося организма в целом строго согласованы по месту, объему и срокам. Однако даже при различных естественных или искусственных нарушениях процесса развития зародыша возможно восстановление нормального его хода. Это явление, открытое в 1908 г. Г. Дришем, получило название эмбриональной регуляции.

Способность к эмбриональной регуляции гораздо ярче выражена у организмов с регуляционным типом онтогенеза (типы Иглокожие, Хордовые), у которых на ранних этапах развития ведущим является механизм межклеточных и межзачатковых взаимодействий. Полагают, что в ходе эволюции Хордовых произошло расширение областей и удлинение сроков компетенции, что также является важным фактором, определяющим возможность эмбриональной регуляции. Доказательством справедливости указанного предположения служит формирование глаза не в надлежащем месте при перемещении индуктора.

Эмбриональная регуляция наблюдается у зародышей с мозаичным развитием, несмотря на раннюю и необратимую детерминацию клеток и структур развивающегося организма.

Результат развития практически каждой клетки жестко детерминируется. Главным фактором детерминации является цитоплазматическая сегрегация, очевидная на стадии двух бластомеров (первое деление дробления). Вместе с тем, единственный бластомер с половой детерминантой в цитоплазме, изолированный на стадии двух бластомеров, может образовывать целый зародыш, то есть характеризуется тотипотентностью. Кроме того, у такого зародыша сохраняется ограниченная возможность переопределения в развитии конечной судьбы отдельных клеток и их компрлексов вследствие индуктивных межклеточных взаимодействий.

Дифференцировке клеток, приобретению ими морфологических и функциональных отличий предшествует детерминация. Под детерминацией частей организма также понимают возникновение качественных различий, которые предопределяют дальнейшую судьбу этих частей, прежде чем возникнут морфологические различия между ними.

В раннем эмбриогенезе детерминируются области, соответствующие зародышевым листкам На более продвинутых стадиях эмбрионального развития и даже в постэмбриональном периоде под действие этих процессов подпадают более ограниченные области — зачатки органов или структур организма.

Детерминированность частей и клеток развивающегося организма тесно связана с понятием потенций развития. Потенции (проспективные потенции) — это все возможные направления развития конкретной области или части организма, которые могли бы осуществиться при определенных условиях, в том числе и отличных от нормальных. То, во что данная область или часть зародыша развивается при нормальных условиях, называют его проспективным (презумптивным) значением: Проспективные потенции некоторой части (области) зародыша не могут быть уже ее проспективного значения.

На каждом этапе индивидуального развития существенные составляющие развивающегося организма — клетки и их, комплексы, зачатки органов и структур - характеризуются определенными потенциями. В ходе развития организма по мере усиления детерминации происходит сужение потенций или рестрикция развития(канализация) — ограничение возможностей выбора путей развития, предоставляемых развивающейся области ранее.

Так, на стадии ранней гаструлы детерминируется судьба клеток целого зародышевого листка. В частности, проспективные потенции любой клетки эктодермы обеспечивают возможность каждой из них войти в состав любого производного данного зародышевого листка. На стадии ранней гаструлы пересадка клеток презумптивной нервной пластинки в область будущего эпидермиса живота, приводит к тому, что они становились эпидермальными и наоборот, пересадка любого участка презумптивного эпидермиса в область будущей нервной пластинки вызывала его превращение в нервную ткань.

48. Морфогенез как многоуровневый динамический процесс. Концепции морфогенеза (концепция физиологических градиентов, позиционной информации, морфогенетических полей).

Морфогенез — это процесс возникновения новых структур и изменения их формы в ходе индивидуального развития организмов. Морфогенез, как рост и клеточная дифференцировка, относится к ациклическим процессам, т.е. не возвращающимся в прежнее состояние и по большей части необратимым. Главным свойством ациклических процессов является их пространственно-временная организация. Морфогенез на надклеточном уровне начинается с гаструляции. У хордовых животных после гаструляции происходит закладка осевых органов. В этот период, как и во время гаструляции, морфологические перестройки охватывают весь зародыш. Следующие затем органогенезы представляют собой местные процессы. Внутри каждого их них происходит расчленение на новые дискретные (отдельные) зачатки. Так последовательно во времени и в пространстве протекает индивидуальное развитие, приводящее к формированию особи со сложным строением и зна

чительно более богатой информацией, нежели генетическая информация зиготы.

Морфогенез связан с очень многими процессами, начиная с прогенеза. Поляризация яйцеклетки, овоплазматическая сегрегация после оплодотворения, закономерно ориентированные деления дробления, движения клеточных масс в ходе гаструляции и закладок различных органов, изменения пропорций тела — все это процессы, имеющие большое значение для морфогенеза. Помимо надклеточного уровня к морфопроцессам относятся такие процессы, которые протекают на субклеточном и молекулярном уровнях. Это изменения формы и строения отдельных клеток, распад и воссоздание молекул и крупных молекулярных комплексов, изменение конформации молекул.

Таким образом, морфогенез представляет собой многоуровневый динамический процесс. В настоящее время уже многое известно о тех структурных превращениях, которые происходят на внутриклеточном и межклеточном уровнях и которые преобразуют химическую энергию клеток в механическую, т.е. об элементарных движущих силах морфогенеза.