Материал: Биология размножения и развития

РЕГЕНЕРАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ

ПЛАН

• 1. Физиологическая регенерация.
• 2. Репаративная регенерация.
• 3. Клеточные источники регенерации.

Физиологическая регенерация

Регенерация (от лат. геgепегаtio) означает возобновление или восстановление. В биологическом смысле регенерацией называют восстановление организмом утраченных или поврежденных частей. Различают физиологическую и репаративную регенерацию, а также целый ряд явлений, в той или иной мере сходных с регенеративными процессами.

Физиологической регенерацией называют постоянные восстановительные процессы, связанные с разрушением внутриклеточных структур и с гибелью клеток в ходе нормальной жизнедеятельности организма. В разных тканях и органах повреждаемость внутриклеточных структур и самих клеток неодинакова и зависит от многих факторов: режима функционирования, степени специализированности, действия повреждающих факторов и т.д. Интенсивная деятельность клетки сопровождается разрушением ее структур, истощением энергетических ресурсов, которые должны восполняться активной работой внутриклеточного биосинтетического аппарата. Если в результате дифференцировки клетка (например, эритроцит) частично или полностью теряет биосинтетический аппарат, то она не в состоянии восполнить утраченные элементы и ресурсы и погибает. Другая причина гибели клеток, восполняемых в результате физиологической регенерации, - прямое повреждающее действие внешних физических и химических агентов, отравление продуктами метаболизма самой клетки или других клеток. Таким образом, существуют два уровня физиологической регенерации.

• 1. Регенерация на молекулярно-субклеточном уровне - восстановление количества внутриклеточных элементов с помощью биосинтетического аппарата. Этот тип физиологической регенерации характерен для всех тканей и органов, но его значимость особенно велика для тканей, которые утратили способность к регенерации путем клеточного размножения. Так, клетки нервной ткани (за редким исключением) восстанавливаются только на молекулярно-субклеточном уровне, ибо их способность к делению проявляется только в некоторых экспериментах и в патологических случаях.
• 2. Пролиферативная регенерация обеспечивает восполнение численности клеток путем деления дифференцированных клеток или клеток эмбрионального типа.

Во многих тканях, особенно в соединительной и эпителиальной, существуют специальные камбиальные клетки и очаги их пролиферации. Это крипты в эпителии тонкой кишки, костный мозг, пролиферативная зона в эпителии хрусталика и эпидермисе кожи. Указанные ткани имеют чрезвычайно высокий уровень пролиферативной физиологической регенерации. Это обусловлено тем, что эритроциты, клетки кишечного эпителия, хрусталика, кожи в результате узкой специализации утрачивают биосинтетический аппарат и способность к регенерации на молекулярно-субклеточном уровне. Эти клетки обречены на гибель после непродолжительного функционирования. Например, среднее время жизни эритроцита теплокровного животного составляет 2-4 месяца; в течение этого времени вся популяция эритроцитов крови гибнет и замещается новой.

Еще выше темп обновления у эпителия тонкой кишки теплокровных животных. Продолжительность жизни ее клеток определяется временем их нахождения в ворсинке, т.е. всего двумя сутками. Иначе говоря, каждые двое суток животное сбрасывает в просвет кишки весь старый эпителий и замещает его новым. В результате регенерации эпителия кишки клеточные потери огромны, но непрерывно возмещаются благодаря интенсивной пролиферации клеток крипт. Непрерывно регенерирует также сперматогенная ткань семенников, связанная с продукцией огромного числа сперматозоидов.

Темп и характер физиологической регенерации определяются интенсивностью и условиями функционирования ткани, т.е. ее физиологическими особенностями (отсюда название «физиологическая регенерация»). Поскольку в ходе эволюции позвоночных происходила интенсификация функций тканей, и соответственно совершенствовалось физиологическое обеспечение этих функций, то изменялась и активность их физиологической регенерации. Поэтому интенсивность функционирования органов и тканей и их физиологической регенерации у теплокровных значительно выше, чем у холоднокровных животных. Например, темп обновления кишечного эпителия у рыб и амфибий неизмеримо ниже, чем у птиц и млекопитающих. Усиление механизмов физиологической регенерация, как молекулярно-субклеточной, так и пролиферативной, на фоне общей интенсификации метаболических процессов у высших (теплокровных) животных - одно из важных проявлений их прогрессивной эволюции.

Репаративная регенерация

Репаративной регенерацией называют восстановление части организма взамен поврежденной, искусственно удаленной, а в редких случаях - естественно отброшенной. Сюда же относятся случаи восстановления целого организма из его части, что наблюдается во время бесполого размножения, присущего простейшим, губкам, кишечнополостным, плоским и кольчатым червям, мшанкам и оболочникам.

Бесполое размножение - естественное (не связанное с удалением или внешней травмой какого-либо участка) образование новой особи на теле старой. В большинстве случаев возникшие путем бесполого размножения особи сохраняют морфологическую и физиологическую связь между собой, образуя колонии. Бесполое размножение сходно с регенерацией тем, что в некоторых случаях оно связано с распадом размножающегося организма (кишечнополостные, черви) на отдельные части, т.е. как бы с самокалечением этого организма.

Регенерационные процессы, которые осуществляются в ответ на травму, охватывают у разных организмов неодинаковые по объему участки тела и протекают несходно. На этих различиях основаны попытки классификации типов репаративной регенерации. Наиболее хорошо известна регенерация целого организма из его небольшого остатка, когда новообразующая часть формируется на раневой поверхности. Классический пример этого способа - регенерация конечности хвостатых амфибий. Восстановительные процессы локализованы в зоне раны и образуют так называемую регенерационную бластему, четко отграниченную от прочих, не вовлеченных в регенерацию областей. Такой тип регенерации носит название эпиморфоза (что иногда переводится как отрастание).

В других случаях (при разрезании на части низших животных - гидр, планарий) нанесенная травма вызывает перестройку всего тела животного. Хотя и здесь наблюдается отрастание, но оно обеспечивается не только элементами раневой зоны, но и мобилизацией элементов всего организма. Такой тип регенерации носит название реорганизации (морфаллаксиса). Иногда (например, в конечности насекомых) регенерация осуществляется путем комбинирования эпиморфоза с морфаллаксисом.

По своим масштабам и значимости регенерационные процессы неодинаковы; они могут носить локальный характер и не влиять существенно на жизнедеятельность особи, но могут охватить весь индивидуум.

Известны процессы особенно глубокой реорганизации, когда целая особь возникает как бы заново из небольшого участка взрослой особи. Так, целая асцидия может восстановиться из участка жаберной корзинки взрослой асцидии. Из скопления диссоциированных клеток могут возникать целые организмы губок, кишечнополостных. Даже из одной дифференцированной клетки взрослого организма (из одиночной соматической клетки) может образоваться целое растение.

Некоторые авторы предлагают отделить эти процессы от собственно регенерационных и обозначают их как процессы реституции (Г.Дриш) или «соматического эмбриогенеза» (Б.П.Токин и Г.П.Короткова). Б.П.Токин и Г.П.Короткова относят к соматическому эмбриогенезу те случаи, когда морфологическая ось особей возникает заново, а к регенерации - лишь те восстановительные процессы, при которых старая ось сохраняется.

Существует также тип реакции на повреждения, названный эндоморфозом (регенерационная гипертрофия) или диффузной регенерацией, наиболее типичный для теплокровных животных.

Клеточные источники регенерации

Важным вопросом, касающимся механизмов регенерационного процесса, является вопрос о происхождении клеток, из которых строится новообразующаяся часть тела. Регенерация происходит в уже сформированном организме, где процессы дифференцировки, а во многих тканях и процессы деления клеток ослаблены или прекращены. Каким образом, и из каких клеток в этих условиях возникают структуры регенерата? В литературе указывается на три источника клеток для регенерации.

1. Малодифференцированные клетки, сохранившиеся в ходе эмбриогенеза (стволовые, камбиальные). Имеется в виду, что регенерацию обеспечивают представители тех же популяций стволовых клеток, которые в ходе эмбриогенеза являются предшественниками клеток, формирующих ткани и органы. Предполагается, что небольшая часть стволовых клеток сохраняется в виде резерва во взрослом организме. Действительно, известны случаи регенерации с участием резервных клеток. Однако отчетливо такой способ регенерации продемонстрирован пока только у низших животных - кишечнополостных и червей.

Известно, что у кишечнополостных есть так называемые интерстициальные клетки, расположенные в обоих зародышевых листках поблизости от базальной мембраны. Это резервные камбиальные элементы, которые при регенерации скапливаются вблизи раневой поверхности. Из них могут возникать все остальные типы клеток (например, у гидры - эпителиально-мышечные, нервные, железистые, стрекательные и др.). У плоских червей источником регенерационного материала служат необласты.

Другие случаи участия в регенерации резервных малодифференцированных клеток менее достоверны. В скелетной мускулатуре обнаружены так называемые сателлитные клетки, которые, как предполагают, служат источниками клеток при регенерации.

2. Дедифференцировка и редифференцировка клеток дефинитивных тканей. Один из путей образования новых дифференцированных клеток - это дедифференцировка и последующая редифференцировка. Этот способ хорошо продемонстрирован на примере регенерации конечности хвостатых амфибий и во многих других случаях.

Как уже отмечалось, регенерация конечности идет по типу эпиморфоза. На раневой поверхности образуется конусовидное скопление недифференцированных клеток - бластема, в которой заново дифференцируются скелетные элементы, мышцы, кровеносные сосуды и соединительная ткань. Вопросу об источниках регенерационного материала при восстановлении конечности было посвящено много работ, но до сих пор эта проблема окончательно не решена. Несомненно, в регенерационной бластеме происходит дедифференцировка множества клеток, которые затем участвуют в формировании новых тканей. Весьма вероятно, что дедифференцировка идет не до конца, и каждый тип клеток в ходе редифференциации воспроизводит только самого себя.