Вопрос 36 Гомеостаз. Генетический, структурный и функциональный гомеостаз в онтогенезе
ГОМЕОСТАЗ - свойство живого организма сохранять относительное динамичное постоянство внутренней среды. Гомеостаз выражается в относительном постоянстве химического состава, осмотическом давлении, устойчивости основных физиологических функций. Гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.
Живой организм - открытая система, имеющая связь с окружающей средой посредством нервной, пищеварительной, дыхательной, выделительной систем и др.
В процессе обмена веществ с пищей, водой, при газообмене в организм поступают разнообразные химические соединения, которые в организме подвергаются изменениям, входят в структуру организма, но не остаются постоянно. Усвоенные вещества распадаются, выделяют энергию, продукты распада удаляются во внешнюю среду. Разрушенная молекула заменяется новой и т.д.
Целостность структуры полипептидов клетками не нарушается. Т.о., организм - открытая, динамичная система. В условиях непрерывно меняющейся среды организм поддерживает устойчивое состояние в течение определенного времени.
Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработавшееся наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движение при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на
1) поддержание известных уровней стационарного состояния,
2) устранение или ограничение действия вредностных факторов,
3) выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования. Все эти процессы и определяют адаптацию.
Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.
Основные компоненты гомеостаза можно разделить на 3 группы:
А. МАТЕРИАЛЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ КЛЕТОЧНЫЕ ПОТРЕБНОСТИ:
1. Вещества, необходимые для образования энергии, для роста и восстановления - глюкоза, белки, жиры.
2. Вода.
3. NaCl, Ca и другие неорганические вещества.
4. Кислород.
5. Внутренняя секреция.
Б. ОКРУЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КЛЕТОЧНУЮ АКТИВНОСТЬ:
1. Осмотическое давление.
2. Температура.
3. Концентрация водородных ионов (рН).
Структурный гомеостаз - это постоянство морфологической организации на всех уровнях различных биологических систем. Таким образом, целесообразно выделить гомеостаз клетки, ткани, органа, системы органов, организма. Клетка - это элементарная единица, которой свойственна саморегуляция. Важное значение имеют мембранные структуры, через которые осуществляется рецепция, транспорт. Особенностью регуляции структурного гомеостаза является положительная обратная связь, когда гомеостаз нижележащих структур является основой их жизнедеятельности и обеспечивает морфологическое постоянство вышестоящих структур. Универсальным механизмом регуляции является физиологическая и репаративная регенерация.
Вопрос 37 Генетический гомеостаз и механизмы его поддержания. Нарушения в ген. Гомеостазе.
Генетический аспект общей проблемы гомеостаза можно рассматривать минимум с трех разных точек зрения:
1. особенности организации генетического материала, обеспечивающие его собственную структурно-функциональную стабильность, т. е. гомеостаз генотипа;
2. генетический контроль гомеостаза организма как целого;
3. механизмы длительного поддержания в поколениях относительного постоянства генетических характеристик,, т. е. механизмы генетического гомеостаза популяций.
У высших многоклеточных организмов, размножающихся половым путем, в том числе у млекопитающих, индивидуальное развитие организмов каждого очередного поколения начинается со стадии одной клетки - оплодотворенной яйцеклетки, или зиготы. В свою очередь зигота образуется в результате слияния при оплодотворении женской и мужской половых клеток (гамет) у формирующихся в половых органах материнского и отцовского организмов.
Независимо от того, происходит ли эмбриональное развитие организма внутриутробно (как у млекопитающих) или вне связи с материнским организмом (как у птиц, рыб и других животных), сформировавшийся организм проявляет не только весь комплекс признаков, свойственных своему виду, но и часто даже ряд индивидуальных отличительных черт своих родителей и более отдаленных предков и родственников. Это означает, что оплодотворенная яйцеклетка (зигота) несет в себе необходимую программу о предстоящем индивидуальном развитии или, выражаясь языком кибернетики, содержит в себе код наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению. Следовательно, процесс индивидуального развития организма, с точки зрения генетики, представляет собой реализацию в определенных условиях среды кода наследственной информации, заложенной в зиготе.
Было бы, однако, неправильно понимать сказанное упрощенно-механистически и представлять себе, что в зиготе преформированы до деталей все признаки и свойства будущего организма и независимость их проявлений от условий среды. В действительности, наследственная информация (генотип) организма может реализоваться в его конкретные формы и функции (в его фенотип) лишь во взаимодействии с условиями среды, в которой развивается организм.
Необходимо обратить внимание на то, что оба пола - мужской и женский - равноправны в передаче наследственных признаков и свойств. Это положение твердо установлено и многократно подтверждено огромным материалом гибридологического анализа у животных и растений, а также обширными генеалогическими данными о передаче от предков к потомкам сотен наследственных признаков человека. Вместе с тем, будучи равноправными в наследственности, женская и мужская половые клетки, как правило, резко отличаются друг от друга во всех отношениях, кроме одного: хромосомные наборы их ядер совершенно одинаковы (если, несколько упрощая ситуацию, отвлечься от различий по так называемым половым хромосомам). Таким образом, и яйцеклетка, и сперматозоид приносят в зиготу одинаковые наборы хромосом, причем каждой хромосоме яйцеклетки строго соответствует гомологичная парная ей хромосома сперматозоида. Объединение хромосомных наборов при оплодотворении ведет к тому, что как зигота, так и все возникающие из нее путем митозов клетки содержат двойной (диплоидный) набор хромосом. И лишь при делениях созревших половых клеток в результате мейоза происходит редукция (уменьшение вдвое) числа хромосом, так что каждая зрелая половая клетка содержит одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Примечательно, что распределение членов гомологичных пар хромосом в мейозе происходит случайно, так что каждая половая клетка может содержать в любом возможном соотношении хромосомы материнского и отцовского происхождения.
Накопление данных о половых клетках, хромосомах и их поведении в митозе и мейозе привело к современным представлениям о роли хромосом как основных носителей наследственной информации. Позже определяющая роль хромосом в наследственности н развитии была неопровержимо доказана многочисленными и разнообразными опытами. Особенно изящны и убедительны были эксперименты Б. Д. Астаурова (1974) по получению межвидовых ядерно-цитоплазматических гибридов у тутового шелкопряда. Было показано, что такие "гибридные" особи во всех своих признаках следуют тому виду, который послужил донором ядерного материала.
Хромосомы представляют собой сложные нуклеопротеидные комплексы, основу которых составляет одна непрерывная двойная спираль ДНК, упакованная в сочетании со специфическими хромосомными белками и некоторыми другими компонентами (Захаров А. Ф., 1977; Георгиев Г. П., Бакаев В. В., 1978). Огромные линейные полимеры ДНК хромосом дифференцированы по длине на дискретные единицы наследственной информации - гены. Последние можно грубо подразделить на две группы - структурные гены, каждый из которых несет информацию о первичной структуре одной полипептидной цепи, и регуляторные гены, определяющие время, место и длительность "включения" в онтогенезе структурных генов. Таким образом, в структурных генах закодирована информация о всех белках, входящих в состав организма, а регуляторные гены выполняют роль координатора функционирования структурных генов.
В норме каждый онтогенез завершается идентичным воспроизведением видоспецифических частично индивидуальных признаков и свойств.
На уровне первичных генных продуктов существует прямая связь "один структурный ген - одна полипептидная цепь". Причем каждой последовательности нуклеотидов в ДНК соответствует одна и только одна последовательность аминокислот в кодируемой этой молекулой ДНК полипептидной цепи.
Подобные представления о роли генетического материала как матрицы для синтеза белков утвердилось в 40-60-е годы в связи с накоплением данных о наследственных дефектах обмена и о механизме синтеза белков. Между тем еще до того были получены убедительные данные, что на уровне конечных комплексных морфологических наследственных признаков однозначное соответствие "ген - признак" является скорее исключением, чем правилом. Уже тогда в опытах на дрозофиле, мыши, а затем и на других животных и растительных объектах было обнаружено, что, с одной стороны, один ген может влиять на большое число признаков (так называемое явление плейотропии), а с другой - один и тот же признак может находиться под контролем нескольких разных генов, занимающих в хромосомах самостоятельные локусы (так называемые гетерогенные группы, или генокопии);
В настоящее время оба эти явления широко известны и в генетике человека. Таким образом, между генами, входящими в состав генотипа, имеются взаимодействия разных типов. Несколько преувеличивая можно сказать, следуя М. Е. Лобашеву, что каждый ген влияет на все признаки организма, а каждый признак контролируется всем генотипом.
Сложное переплетение эффектов отдельных генов при формировании конечного фенотипа обеспечивает стабильность и в то же время адаптивность функционирования организма в разных условиях среды, т. е. его гомеостаз. Иными словами, любые явления гомеостаза организма можно рассматривать как часть его фенотипа, находящуюся, как и фенотип, в целом под генетическим контролем. В наследственной программе индивидуального развития организма, т. е. в его генотипе, предусмотрено формирование видоспецифических характеристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, причем организмы каждого биологического вида реагируют на изменения условий среды, в которых протекает их развитие, вполне определенным образом в пределах некоторой наследственно обусловленной нормы - так называемой нормы реакции (Шмальгаузен И. И., 1968).
Каждый раз, когда рассматриваются какие-либо комплексные морфологические или физиологические признаки, приходится сталкиваться не с наследованием неких стабильных и инвариантных по отношению к условиям среды свойств, а с передачей от родителей к детям наследственных задатков, определяющих границы их нормы реакции на меняющиеся условия среды. Наличие такой пластичности и позволяет сохранять относительное постоянство видоспецифических характеристик, т. е. поддерживать гомеостаз, несмотря на неизбежные различия (температурные, тропические или иные), в которых протекает развитие отдельных особей.
Проводя аналогию с законами химии можно сказать, что проявление нормы реакции организма в известном смысле следует принципу Лe Шателье, т. е. возникающие в организме изменения как бы противодействуют влиянию внешних причин, их вызывающих. Система в целом обнаруживает адаптивность и стремится сохранить равновесие, что на языке общей биологии и определяется как гомеостаз организма.
Как уже отмечалось, любое конкретное проявление гомеостаза организма, являясь одним из элементов фенотипа, находится под генетическим контролем. Вместе с тем лишь в отдельных случаях известны механизмы генетического контроля гомеостаза, когда дело касается его проявлений на уровне элементарных биохимических процессов, т. е. не слишком удаленных от первичного действия и взаимодействия генов (например, свертывание крови, имунные реакции и др.). В большинстве же комплексных проявлений гомеостаза на системном уровне организации регистрируемые физиологические показатели постоянства внутренней среды организма настолько удалены от элементарных молекулярно-генетических процессов и обусловлены действием и взаимодействием такого большого числа наследственных и средовых факторов, что о генетическом контроле таких проявлений гомеостаза организма можно говорить лишь в самом общем смысле.
Большое значение в поддержании онтогенетического гомеостаза высших организмов имеет, по-видимому, объединение генов, контролирующих отдельные этапы сложных онтогенетических процессов, в коадаптированные генные комплексы, в пределах которых легче достигается координация активности отдельных генов.