Людина - саламандра

Феномен регенерації у деяких тварин відомий з давніх-давен, але те, як вона відбувається, які фактори впливають на неї до кінця не вивчено. Актуальність цієї теми у тому, що дослідження цьому напрямі проводяться дуже активно, з'явилася нова галузь – «регенеративна медицина» з її можливостями вирощування серця, печінки, нирок і навіть кінцівок з власним кровопостачанням для заміни хворих органів. Вчені дають сприятливі прогнози щодо розвитку цього напряму біології та медицини. Їх пов'язують, перш за все, з дослідженням бластем - груп стовбурових клітин, здатних рости та розвиватися в органи та частини тіла.

Мета дослідження

Теоретично вивчити види регенерації у різних тварин та людини. Ознайомитись із сучасними досягненнями в медицині, пов'язаними з процесом регенерації. Оцінити в експерименті можливості регенерації звичайної або прудкої ящірки.

Фантастика чи реальність?

МОУ середня загальноосвітня школа №27

Плахотін Кирило, 9а клас, МОУ ЗОШ №27

Керівник: Суховеєнко Раїса Єгорівна, вчитель біології МОУ ЗОШ № 27

Аналітичний огляд літератури. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Що таке регенерація і навіщо вона потрібна? . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Відмінності процесу регенерації у різних тварин та людини. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Що таке стовбурова клітина та її роль у регенерації. . . . . . . . . .

Репаративна регенерація у сучасній медицині. . . . . . . . . .

Експериментальна частина: регенерація хвоста у ящірки звичайної. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Характеристика матеріалу та методів дослідження. . . . . . . . . .

Спостереження за регенерацією хвостів у ящірок. . . . . . . . . . . . . .

Теоретично та експериментально з'ясувати, що таке регенерація та оцінити фактори, що впливають на цей процес.
Проаналізувати відмінності процесу регенерації у різних тварин та людини.
Вивчити дані про роль стовбурових клітин у процесах регенерації.
Ознайомитись із сучасними досягненнями та перспективами дослідження процесів регенерації у покращенні здоров'я людини.

Аналітичний огляд літератури

Що таке регенерація і навіщо вона потрібна?

Регенерація (у перекладі з латинської - відродження, відновлення) - це відновлення організмом втрачених або пошкоджених органів і тканин, атакож відновлення цілого організму із його частини.

Розрізняють два види регенерації: фізіологічну та репаративну.

Відновлення органів, тканин, клітин чи внутрішньоклітинних структур після руйнування їх у процесі життєдіяльності організму називають фізіологічною регенерацією. Прикладами фізіологічної регенерації є оновлення епідермісу шкіри, рогівки ока, епітелію слизової оболонки кишечника, клітин периферичної крові та ін. Фізіологічна регенерація властива організмам всіх видів, але особливо інтенсивно вона протікає у теплокровних хребетних, оскільки вони взагалі дуже висока інтенсивність функціонування всіх органів проти іншими тваринами.

Відновлення структур після травми або дії інших факторів, що ушкоджують, називають репаративною регенерацією. Механічна травма, оперативне втручання, дія отруйних речовин, опіки, обмороження, променеві дії, голодування, інші хвороботворні агенти - все це фактори, що ушкоджують. Найбільш широко вивчено регенерацію після механічної травми. Здатність деяких тварин, таких, як гідра, планарію, деякі кільчасті черв'яки, морські зірки, асцидія та ін, відновлювати втрачені органи та частини організму здавна дивувала вчених. Ч. Дарвін, наприклад, вважав дивовижними здатність равлика відтворювати голову та здатність саламандри відновлювати очі, хвіст і ноги саме в тих місцях, де вони відрізані [1, 4, 5].

Відмінності процесу регенерації у різних тварин та людини.

Від чого залежить регенерація і як вона відрізняється у різних тварин? В даний час встановлено, що кращою здатністю до регенерації зовнішніх органів мають гідри та інші твариникласу кишковопорожнинних, планарії (плоскі черв'яки), кільчасті черв'яки, членистоногі, голкошкірі, нижчі хордові, наприклад асцидії. Ця здатність до регенерації пов'язана із простотою будови їхнього тіла. У цих тварин спеціальні клітини (стволові клітини) - з яких можуть утворюватися всілякі клітини організму, розкидані по всьому тілу. Відрізаний шматочок стискається, стовбурові клітини всередині нього перебудовуються, і виникає ціла особина лише зменшених розмірів, яка потім росте. Цей спосіб регенерації вперше описав Т. Морган у 1900 році.

Інший спосіб репаративної регенерації, що полягає у відростанні нового органу від ампутаційної поверхні, наприклад, регенерація кінцівки або хвоста, характерний для земноводних (тритон, саламандри, аксолотля). В організмі цих тварин немає достатньої кількості стовбурових клітин як у безхребетних, але вони мають здатність утворювати їх у місці ушкодження шляхом дедиференціації, тобто спрощення спеціалізованих клітин. У місці ушкодження утворюється так звана регенераційна бластема. Всі клітини бластеми спочатку виглядають однаково, але потім з цих однакових клітин утворюються (диференціюються) клітини різних тканин, що формують кінцівку або хвіст, що росте. Довжина та маса регенераційної бластеми швидко збільшуються. Зростання бластеми відбувається і натомість йде повним ходом формування характеристик кінцівки, тобто. її морфогенез. Коли форма кінцівки в загальних рисах вже склалася, регенерат все ще менший за нормальну кінцівку. Чим більша тварина, тим більша ця різниця в розмірах. Для завершення морфогенезу потрібен час, після якого регенерат досягає розмірів нормальної кінцівки

Регенерація у ссавців та людини відрізняється своєрідністю. Відомо лише два види клітин,які можуть регенерувати - це клітини крові та клітини печінки. Але тут принцип регенерації інший. Коли ембріон ссавця розвивається, трішки клітин залишається осторонь процесу спеціалізації. Це – стовбурові клітини. Вони мають здатність поповнювати запаси крові або відмираючих клітин печінки. Кістковий мозок теж містить стовбурові клітини, які можуть ставати м'язовою тканиною, жиром, кістками або хрящами в залежності від того, які поживні речовини їм даються, але поки що тільки в пробірках. Чому ж ссавці не здатні до регенерації такою ж мірою, як найпростіші та земноводні? Це пов'язано з потужною імунною системою, що є у ссавців. В даний час багато вчених дійшли висновку, що організми спочатку мали два способи лікування від ран - імунну систему та регенерацію. Але в ході еволюції обидві системи стали несумісними одна з одною, і довелося обирати. Хоча регенерація може на перший погляд здатися найкращим вибором, Т-клітини для нас насущніша. Адже вони – основна зброя організму проти пухлин. Виходить, що імунна система, захищаючи нас від інфекцій та раку, одночасно придушує наші здібності до "саморемонту" [4, 5].

Що таке стовбурова клітина та її роль у регенерації.

У попередній частині ми вже говорили про стовбурову клітину та про її участь у регенерації. Поняття «стволові клітини» вперше з'явилося в Україні ще на початку минулого століття. Тоді великий український гістолог А.А.Максимов, вивчаючи процес кровотворення, дійшов висновку про їхнє існування. Що ж це за клітини та які їх відмінні властивості?

Стовбурові клітини можуть давати початок будь-яким клітинам організму - і шкірним, і нервовим, і клітин крові. Спочатку вважали, що стовбурові клітини є лише в ембріональних тканинах. У70-ті роки вчені виявили їх у дорослому кістковому мозку, а потім – практично у всіх органах дорослих тварин та людини. У зв'язку з цим прийнято розділяти стовбурові клітини на стовбурові ембріональні клітини (виділяють з ембріонів на дуже ранній стадії розвитку, коли ще немає ні тканин, ні закладок органів) і регіональні стовбурові клітини (виділяють з органів дорослих особин).

Стовбурові клітини можна виділяти та вирощувати в культурі тканини. Здатність давати безліч різноманітних клітинних типів робить стовбурові клітини найважливішим відновлювальним резервом в організмі, який використовується для заміщення дефектів у різних органах та тканинах, що виникають через ті чи інші обставини. Особливе здивування біологів викликало присутність стовбурових клітин у центральній нервовій системі. Як відомо, самі нервові клітини втрачають здатність до розмноження вже на ранній стадії свого розвитку. У народі навіть кажуть, що нервові клітки не відновлюються. Виявляється, ця помилка: стовбурові клітини у відповідь на різні ураження нервової тканини починають ділитися з подальшим диференціюванням у нервові клітини.

Що нового дало відкриття стовбурових клітин у дорослому організмі? Було зроблено новий і дуже важливий висновок: стовбурові клітини з високим потенціалом до розвитку зберігаються і в дорослому організмі і, отже, дають великі можливості відновлення при його ушкодженні. У ході клітинного поділу зі стовбурових клітин виникають материнська та дочірня клітини. Материнські застосовуються для самопідтримання популяції, а дочірні застосовуються для процесів репарації. Стовбурова клітина зберігає властивості ранніх ембріональних клітин - плюрипотентність, тобто з неї за певних умов може утворитися клітина будь-якої тканини організму [2, 3, 6].

Репаративна регенерація у сучасній медицині.

Вчені знайшли чимало роботи для стовбурових клітин, і вже зараз вони застосовуються для відновлення та лікування організму. В даний час стволові клітини вже використовують для лікування раку крові, деяких захворювань нервової системи (розсіяний склероз), ревматоїдний артрит та інших захворювань. У Санкт-Петербурзі кілька років тому відкрився Центр імені Р. М. Горбачової, а в Москві – Центр гематології ім. А.А. Максимова, де використовують методи лікування як власними, і донорськими стовбуровими клітинами. в українському інституті травматології та ортопедії дослідники одержують стовбурові клітини з кісткового мозку. Після 4-6 тижнів розмноження у культурі їх пересаджують у суглоб, де вони реконструюють хрящові поверхні. Проходять клінічні випробування методи лікування цукрового діабету та вирощування нових зубів.

Ефективно розроблені технології трансплантації стволових клітин можуть повністю змінити наше життя. Але це майбутнє, а сьогодні в цій галузі знань немає навіть своєї назви, лише варіанти: «клітинна терапія», «трансплантація стовбурових клітин», «медицина регенерації», навіть «тканинна інженерія» і «органічна органічна». Недарма кажуть, що XXI століття пройде під знаком біології, і, можливо, досвід регенерації, збережений упродовж мільйонів років земноводними та найпростішими, допоможе людству [3, 4, 6, 7].

Експериментальна частина: регенерація хвоста у ящірки звичайної

2.1. Характеристика матеріалу та методів дослідження.

Тривалість експерименту склала 52 календарні дні: з 20.08.11 по 10.10.11.

Для дослідження швидкості та характеру регенерації хвостів у ящірок було спіймано дві звичайні (швидкі) ящірки, яким були присвоєні номерита імена (рис.1, рис.2).

На підставі огляду ящірок було зроблено висновок, що ящірка №2 молодша (менша довжина і вага, світліше забарвлення). У ящірки №1, ймовірно, вже відбувалася регенерація хвоста, про що можна судити з темнішого забарвлення кінчика хвоста і наявності звуження на ньому (Рис. 3). Ці відмінності були вивчені та відзначені тому, що вони могли вплинути на процес регенерації. В іншому ящірки знаходилися в однакових умовах. Протягом тижня до усунення хвоста вони спостерігалися в умовах тераріуму об'ємом 60 літрів з прозорими стінками. У тераріумі були створені звичайні умови проживання: ділянки піску, каміння, трави, водоймище, гілки. Крім того, у тераріумі було встановлено джерело штучного освітлення, яке включали о 8 годині та вимикали о 18 годині. Ящірки дуже швидко адаптувалися до нових умов проживання, були рухливими, зберегли свій звичайний добовий ритм та гарний апетит. Годували їх раз на день мотилем і спеціальним кормом «Tetra ReptoFrog», який ящірки з'їдали без залишку за 15-20 хвилин.

Мал. 3. Зміни кінчика хвоста у ящірки №1.

Порівняльна характеристика піддослідних ящірок представлена таблиці 1 .