Что такое регенерация и как она происходит? Ответы на данные вопросы имеются частично. К примеру, ученые уже знают, что такое регенерация. Данный процесс всячески испытывали в лабораторных условиях, но так и не смогли полностью определить, как и почему она происходит у некоторых видов. В данной статье мы разберемся с этим понятием и попробуем определить, свойственна ли регенерация человеку.
Кто в процессе эволюции освоил регенерацию
Регенерацией называют процесс восстановления. Некоторые существа могут восстанавливать утраченные конечности и некоторые органы. Например, тритоны (их считают одними из самых древних на нашей планете) могут отрастить себе новый хвост, лапу и даже челюсть. Это действительно уникальное существо, относящееся к хвостатым амфибиям.
После длительного изучения тритонов в лабораториях всего мира, ученые определили, что у них регенерируются не только утраченные конечности, но и жизненно важные органы: сердечные ткани, глаза, спинной мозг. Благодаря уникальности тритоны бывают в космосе чаще собак и обезьян. У них имеется феноменальная способность «приспосабливаться».
Еще регенерацию в процессе эволюции освоили рыбки «данио рерио», которых мы часто держим в домашних аквариумах. Эти красивые существа небольшого размера умеют восстанавливать сердце, плавники, глаза. Исследователи специально вырезали рыбкам вышеперечисленные органы, после чего те их сравнительно быстро восстанавливали. К слову, другие виды рыб тоже так умеют, но зачастую быстро восстанавливают только плавники.
К классическим примерам регенерации относятся:
- ящерицы и головастики, которые отращивают новые хвосты (в детстве практически каждый отрывал нечаянно ящерице хвост, после чего родители убеждали, что у нее отрастет новый);
- крабы и прочие ракообразные, способные восстанавливать клешни – основное свое «оружие»;
- улитки, которые отращивают новые «рожки»;
- саламандры, умеющие регенерировать отрезанные конечности;
- морские звезды, отращивающие себе новые «лучи» (своеобразные конечности).
Чемпион регенерации
Чемпионом в данном деле принято считать червя «плосковика» либо «планарию». Если это существо разрезать на две равные половины, то на одно половине регенерируется недостающий хвост, а на другой – недостающая голова. Организм червя как-то понимает, что ему необходимо отрастить. Если на переднем и заднем концах этого существа произвести небольшие разрезы, то у него отрастут вторые хвост и голова. Самое интересное, что даже из 1/280 части тела «плосковика» получится самостоятельное, полностью развитое, здоровое живое существо.
История изучения регенерации
Ученых всегда интересовало, как животные научились регенерировать утраченные части тело. Человеку тоже не помешала бы такая возможность. Специалисты в различных отраслях науки проводили эксперименты, чтобы вывести законы данного сверхъестественного навыка.
Первым, кто вплотную подошел к изучению регенерации, был француз Р. А. Реомюр. Именно он придумал термин «регенерация» и стал использовать его. В 1712 году опубликовали его первую работу, связанную с регенерацией конечностей у ракообразных. Коллеги скептически восприняли труды Реомюра, из-за чего у ученого пропало желание дальше заниматься изучением регенерации.
Феноменальной способностью снова заинтересовались спустя 30 лет. Опыты продолжил А. Трабле. Именно он обнаружил самое загадочное существо, способное регенерировать, и проводил на нем опыты (речь идет о «плосковике», описанном выше). Ученый долго не мог определить, на ком он экспериментирует. Существо выглядело как пустой внутри стебель с щупальцами и присоской, которой оно прикреплялось к стенке аквариума. Позже оказалось, что в руках у Абраама находился хищник, причем очень интересный.
Отдельные фрагменты тела подопытного быстро превращались в нового полноценного хищника. На месте разрезов отрастали новые части тела, из-за чего существо становилось похожим на фантастического монстра. Трабле назвал существо «гидрой».
Опыты Трабле не остались без внимания. Шокированные ученые пытались повторить их на всем, что шевелилось. Вскоре в мире появилась целая группа живых существ, способных восстанавливаться. На протяжении нескольких десятилетий в нее входили только простейшие организмы, но потом ученые узнали, что птицы могут отращивать новый клюв, а крысы – отрезанный хвост.
Благодаря чему организмы могут регенерироваться?
Ученые обнаружили, что если тритон, например, потеряет конечность, то на поврежденном участке клетки различных тканей теряют признаки отличия. Вторично рожденные клетки называют теперь «бластемой». Их особенностью является ускоренное и усиленное деление. Эти «бластемы» определяют свое предназначение в зависимости от того, какой части тела они нужнее.
На регенерацию можно воздействовать. Ученые выяснили, что если во время восстановления лапки лягушки воздействовать на новорожденные вторично клетки кислотой витамина А, то вместо одной конечности у лягушки вырастет несколько. К слову, опыты на хладнокровных проводятся потому, что вышеописанный навык развит лучше всего именно у них. Почему-то теплокровные не научили восстанавливать значительные участки тела.
Регенерация у человека
Как известно, человек не может отрастить себе новую конечность. Но регенерировать его организм все-таки умеет. Простейшей регенерацией можно назвать заживление раны и тому подобное. Человек не может полноценно восстанавливать утраченные конечности по нескольким причинам.
Доктор наук в области биологии Петр Гаряев считает, что умение регенерировать у нас ослабилось во время эволюции, так как человек всегда был более защищенным от внешних воздействий, чем остальные живые существа. Мы обладаем завидной выносливостью, можем быстро находить выход из любой ситуации, легко приспосабливаемся к новым условиям. Из-за этого полная регенерация нам не нужна. Она сохранилась у нас частично, благодаря чему растут ногти и волосы, заживают раны, восстанавливается обожженная либо ободранная кожа.
Можно ли заставить организм человека регенерировать
Вернемся к «бластеме». Если бы у человека имелись такие клетки, то теоретически он мог бы регенерировать свои конечности и все прочее, что могут восстанавливать хладнокровные. В человеческом организме имеется два вида клеток, способных регенерировать. Это клетки крови и печени.
Во время развития эмбриона часть клеток воздерживаются от специализации. Эти клетки называются стволовыми. Именно они могут пополнять запасы крови и восстанавливать ткани печени, при необходимости. Стволовые клетки, находящиеся в костном мозгу, могут превращаться в мышцы, ткани, кости или хрящи. Благодаря этому их можно назвать своеобразной «бластемой».
Ученые уже пытаются проверить опытным путем, можно ли в человеке развить способность регенерировать большие участки тела с помощью программирования стволовых клеток. Для этого они берут данные клетки и воздействуют на них определенным образом в лабораторных условиях, пытаясь заставить видоизменяться в нужном направлении. Более того, у ученых уже получается выращивать органы из стволовых клеток. Осталось только научиться выращивать полноразмерные органы, способные самостоятельно функционировать. Именно с этим возникают проблемы.
Дело в том, что то, что удается крошечному организму, очень сложно осуществить большому человеческому. Теоретически мы можем поступить как тритоны: регенерировать маленькую ручку или ножку, после чего выращивать ее. Но тритонам на это требуется не больше месяца, а нам – около 20-и лет.
К слову, добывать вышеописанные клетки очень сложно и дорого. Такие клетки в максимальном количестве находятся в костном мозге тазовых костей, но у взрослого человека стволовые клетки теряют свою функциональность. Самыми перспективными считаются стволовые клетки, полученные из пуповинной крови. После родов можно собрать около 50 мл такой крови. Из каждого миллилитра можно получить всего 1 миллион стволовых клеток, и только 1% из них оказываются подходящими для регенерации. Поэтому, чтобы развить человеческую регенерацию ученым придется научиться создавать стволовые клетки в лаборатории или заставить другие органы человеческого тела вырабатывать их. К счастью, наука не стоит на месте. Возможно, когда-нибудь человек научится восстанавливаться подобно тритону или даже «плосковику».
Профессор, доктор биологических наук Л. Полежаев (Институт биологии развития АН СССР)
Регенерация конечности метаморфозирующей лягушки (слева). Справа - контроль, после обычной ампутации идет гладкое заживление.
Регенерация обеих передних конечностей у взрослой лягушки после экспериментального воздействия.
Опыт по восстановлению конечности у новорожденного опоссума.
Регенерация ткани зуба у собаки через 100 дней после операции. На фотографии показан продольный срез зуба; перпендикулярно к зубному каналу, слева - область дефекта с восстанавливающейся тканью.
Регенерация папиллярной мышцы сердца у собаки, оперированной по методу Н. П. Синицына.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Как восстановить поврежденный орган или ткань, как вернуть им утраченную функцию? Хотя проблема эта чисто медицинская, основа ее биологическая. В настоящее время есть три пути ее решения: протезирование, пересадка (трансплантация) и регенерация.
Протезы, заменяющие утраченные руки, ноги, зубы, применяются уже давно и очень помогают людям. Но протез - все же не настоящий орган и функция его неполноценна.
Трансплантация, в наше время широко применяемая в хирургии, особенно больших успехов достигла в пересадке костей. В последние годы стали известны операции по пересадке почки и даже сердца у человека. И тем не менее, несмотря на значительные успехи, проблема трансплантации далеко не разрешена. Науке предстоит преодолеть на этом пути еще немалые трудности, главная из которых - биологическая (иммунологиче-ская) несовместимость тканей донора и нового «хозяина» - реципиента. В большинстве случаев пересаженный орган спустя некоторое время, иногда через один-два-три года после пересадки отторгается. Таким образом, цель остается не достигнутой.
Третий путь - регенерация, полное восстановление у граченных или поврежденных органов и тканен. Этот путь - в значительной степени путь будущего, но путь перспективный. Рассмотрим его детальнее.
Есть три основные формы восстановления поврежденной ткани: рубцевание, гипертрофия и регенерация. Заживают, рубцуются раны, образуется рубец или шрам, но поврежденные специфические ткани не восстанавливаются. При гипертрофии ткань, оставшаяся после частичного удаления органа, например, почки или печени, разрастается, приближаясь по величине к исходной, но прежняя форма, а главное, внутренняя структура органа не восстанавливается. Такое восстановление (более или менее полное, типичное или не совсем типичное) может дать лишь регенерация. Именно поэтому этот путь более всего и привлекает исследователей, занимающихся проблемой восстановления утраченных в результате болезни или травмы органов тела человека.
Сама мысль вырастить, например, новую руку, ногу или даже палец на месте ампутированных кажется фантастической. Но исследования последних лет и некоторые удачные опыты позволяют надеяться, что она в принципе осуществима и, может быть, не в столь уж отдалённом будущем.
Со времен Чарлза Дарвина известны основные правила регенерации: способность к регенерации понижается по мере усложнения организации животного, снижается она и с возрастом. У низших животных - гидр, плоских ресничных червей (планарий), дождевых червей - из отдельных кусочков тела восстанавливается целое животное. У низших позвоночных - тритонов, аксолотлей, саламандр - регенерируют уже только отдельные органы (конечности, хвосты, жабры, челюсти, нос). У млекопитающих и человека не восстанавливаются даже отдельные участки органов - части пальцев, уха, носа и др.
Но если природа не предусмотрела у высших организмов эту способность, то, может быть, ее можно вызвать искусственно?
Работа по этой интересной теоретически и практически чрезвычайно важной проблеме началась давно, причем в основном в Советском Союзе (хотя сейчас над ней работают многие ученые и за рубежом) и в настоящее время вылилась в особое направление - в учение о регенерации.
Как уже было сказано, у хвостатых земноводных утраченные конечности и другие органы после ампутации восстанавливаются. У пресмыкающихся (у ящерицы вновь отрастает только хвост), у птиц и млекопитающих регенерация органов не происходит. Но есть особая, промежуточная группа животных - бесхвостые амфибии (это лягушки, жабы, жерлянки), у которых конечности хорошо регенерируют в «молодости», то есть на ранних стадиях их развития, позднее они эту способность утрачивают.
В чем же состоит суть дела? Оказывается, у животных, от природы способных к регенерации конечностей (тритонов, аксолотлей, головастиков ранних стадий развития), оставшиеся после ампутации основные ткани органа или культи, то есть мышцы, хрящ, кость, соединительная ткань не рубцуются, не заживают обыкновенным образом, а начинают видоизменяться: они саморазрушаются и дедифференцируются. Иначе говоря, организация этих тканей упрощается, их клетки уподобляются молодым, эмбриональным, утратившим свою специфическую принадлежность к определенной ткани, но зато обладающим высокой способностью к клеточному размножению. В результате такого превращения клеток и их «омоложения» на поверхности раны начинает расти и развиваться ткань, образуется зачаток, который, развивается затем в конечность У прочих же позвоночных этого не происходит: ткани культи не разрушаются и не теряют дифференцировки, на раневой поверхности просто возникает рубец, и она гладко заживает.
Вот эти наблюдения и натолкнули ученых на мысль попробовать искусственно разрушить ткани культи животного, не обладающего способностью к регенерации, искусственно заставить ее клетки упроститься, потерять свою специфику Может быть, тогда начнется регенерация?
Первые опыты такого рода были поставлены в нашей Лаборатории экспериментальной морфологии животных Института биологии развития АН СССР сначала на головастиках поздних стадий развития, на взрослых лягушках и, наконец, на новорожденных крысятах (за рубежом эти опыты идут также и на опоссумах). В опыте культю ампутированной конечности механически травмировали или подвергали специальному химическому воздействию, в результате чего клетки этой ткани теряли свою специфику, свою дифференцировку (впоследствии были найдены и другие способы создавать в организме животного способность к регенерации), и начиналось биологическое восстановление утраченной конечности. Подобные эксперименты проводились во многих лабораториях в нашей стране и за рубежом, и достоверность их не вызывает сомнений.
Установив закономерность воссоздания регенерационной способности конечностей у позвоночных, можно было перейти к работе над получением регенерации других органов и тканей у млекопитающих.
Известно, что длинные трубчатые кости в руках, ногах, пальцах после перелома хорошо восстанавливаются. Регенерация кости в данном случае происходит за счет надкостницы и идет путем так называемого эпиморфоза - ткань отрастает от краев области костного дефекта. А вот удаленный кусок черепной кости никогда не восстанавливается, даже если на месте остаются надкостница и вторая надкостница - твердая мозговая оболочка, и мозг остается незащищенным. Здесь обычно не помогает и трансплантация: пересаженная кость быстро рассасывается. Поэтому хирурги, как правило, закрывают отверстие в черепе неживыми материалами: танталом, органическим стеклом и другими. Однако это небезразлично для соседних с ними живых тканей.
Нашей лабораторией были предложены четыре новых биологических метода, которые позволили добиться полной регенерации черепной кости. Наиболее простой и эффективный из них - метод деструкции. Уже говорилось: чтобы вызвать регенерацию ткани, которая в обычных условиях не регенерирует, ее необходимо сильно разрушить. Так и в данном случае кусок костной ткани, размельченный до состояния опилок и смоченныи кровью реципиента, накладывается на твердую мозговую оболочку. После этого рану зашивают. Опилки быстро, в течение семи дней, полностью растворяются. Из них выделяются костеобразующие вещества, которые действуют на соседние клетки соединительной ткани, побуждая ее к превращению в типичную кость черепа, или, иначе говоря, индуцируют в ней костеобразование.
Регенерация здесь идет не обычным путем, когда кость отрастает от краев костного дефекта, или от надкостницы, или твердой мозговой обохочки, а путем индукции. Костные опилки являются индуктором, клетки молодой соединительной ткани - реагирующим материалом, а процесс регенерации кости идет по типу эмбриональной индукции, при которой зачаток одного развивающегося органа индуцирует образование другого. Без индуктора - костных опилок - молодая соединительная ткань превращается в рубец, под влиянием индуктора - в кость, заполняющую отверстие в черепе.
Подобный метод вызывает - пока еще в опытах на собаках - регенерацию разрушенных тканей зуба.
Эксперименты показали, что костные опилки можно помчать не только из черепных, но и из трубчатых, реберных и других костей. Мало того, эти опилки можно получать из кости другого животного и не только такого же вида (от одной собаки к другой), но даже от животного другого вида (например, кости кролика или коровы годятся для пересадки собаке).
Индуцируют регенерацию кости как свежеприготовленные костные опилки, так и консервированные, например, быстро замороженные при очень низкой температуре (минус 78° по Цельсию). Несколько слабее «работают» лиофилизированные опилки, то есть замороженные и высушенные под вакуумом.
Успешные эксперименты на собаках позволили перейти к операциям, с помощью которых удалось помочь людям. Сейчас уже прослежены отдаленные результаты операций, длительность некоторых наблюдений достигает 7-8 лет.
Цель дальнейших наших исследований - вызвать регенерацию мышечных волокон в поврежденной мышце сердца у млекопитающих.
И биологи, и врачи знают, что различного рода травмы мышцы сердца, залечиваясь, обязательно дают рубцы, не обладающие способностью к сокращению. Кроме того, в местах повреждения сердца, особенно при инфарктах миокарда, образуются очаги мертвой некротизированной ткани, которая неблагоприятно действует на сердце и его работу. Следовательно, чем быстрее рассосется некротизированная ткань и заживет очаг повреждения миокарда, тем это лучше для здоровья человека.
В нашей лаборатории, а затем и в ряде других лабораторий было показано, что при определенных условиях можно получить регенерацию мышечных волокон сердца у крыс, кроликов и собак. При восстановлении миокарда нормализуется электрокардиограмма и ряд физиологических и биохимических показателей.
Однако проблема эта остается все еще не решенной. В тех случаях, когда сердечная мышца восстанавливается в довольно большом объеме, эффект оказывается временным: через два месяца новообразованная ткань распадается. Если и удается добиться длительного сохранения мышечных волокон, то лишь в том случае, когда объем восстановленного участка весьма невелик.
Многое в проблеме по регенерации миокарда остается неясным, поэтому возбуждает споры и требует дальнейших исследований и проверки. Но работа в этой области продолжается, и есть уже опыты, когда удается получить длительное восстановление участков сердечных мышц, даже папиллярных или сосочковых.
В ходе этих исследовании было проведено специальное изыскание веществ, стимулирующих регенерацию миокарда, и средств, тормозящих и стимулирующих развитие рубца. При этом выявились весьма интересные и важные данные. Оказалось, например, что, применяя эти средства - каждое отдельно или в определенном сочетании,- удается увеличить время сохранения регенерированных сердечных мышечных волокон и их объем. Эти же средства ускоряют рассасывание некротизированной ткани и заживление мест повреждения, иначе говоря, значительно быстрее ликвидируют последствия инфарктов миокарда и некоторых других заболеваний мышцы сердца (в течение ряда лет такие исследования мы проводили в содружестве с другими институтами). Бесспорно, дальнейшая работа в этом направлении может иметь серьезное значение для лечения инфарктов миокарда, для быстрейшего восстановления работоспособности сердца.
Наконец, нельзя не упомянуть еще об одном направлении исследовании До сих пор многие медики и биологи убеждены в том, что нервные клетки не только у человека, но и у любых животных ни при каких условиях не могут восстанавливаться. А это значит что любая травма спинного или головного мозга обязательно влечет за собой неизлечимые, как правило, нарушения в деятельности организма - это может быть частичная или полная потеря способности двигаться, потеря речи, изменения в психике человека и т. д. Однако за последние годы наука обогатилась принципиально новыми данными на этот счёт.
Оказалось, что удаленные в эксперименте большие участки головного мозга рыб, тритонов, аксолотлей, личинок лягушек при наличии определенных условий полностью восстанавливаются. Удалось добиться (это сделали и американские и советские исследователи) и регенерации нервных проводников поврежденного спинного мозга у крыс, кошек собак. Позже удалось получить известный положительный результат при восстановлении поврежденного спинного мозга у людей. Это открывает новый путь для лечения параличей, вызванных травмой спинного мозга.
Однако надо сразу же оговориться, что эти методы пока еще недостаточно разработаны, их применение встречается с большими трудностями. Нужны еще многочисленные опыты на животных, прежде чем метод можно будет считать отработанным.
В нашей лаборатории поставлены опыты, которые показывают возможность стимулировать деление нервных клеток в головном мозге взрослых крыс, что сопровождается изменениями в работе высшей нервной деятельности, Делаются попытки вызвать подобного рода изменения в условиях патологии - при гипоксии. Гипоксия - это недостаточность кислорода в тканях. Нервные клетки очень чувствительны к недостатку кислорода и при значительной или длительной гипоксии погибают. Наши опыты показали, что при определенных условиях опыта даже в условиях гипоксии можно стимулировать восстановительные процессы в нервной ткани мозга у крыс. Пока применяемые нами методы еще очень несовершенны. Однако мы полагаем, эти первые данные могут послужить началом для новых и весьма важных исследований в биологии и медицине.
Конечно, сегодня можно пока говорить лишь об определенном направлении исследований в области регенерации, о перспективах. Реальной возможности и выращивать у человека ампутированные руки, ноги или хотя бы пальцы пока еще нет. Также рано говорить о регенерации мышцы сердца или нервной ткани головного мозга у человека. Однако все больше данных говорит за то, что проблема восстановления поврежденных или утраченных тканей, конечностей и участков жизненно важных органов у высших животных и человека в принципе разрешима. Над ней работают, над ней надо работать, и это может привести к важнейшим результатам, значение которых трудно переоценить.
Литература
Полежаев Л. В. и др. Стимуляция регенерации мышцы сердца . «Наука», 1965.
Полежаев Л. В. Утрата и восстановление регенерационной способности органов и тканей у животных . «Наука», 1968.
Кто в детстве не слушал с замиранием сердца сказку о Змее Горыныче, который отращивал отрубленные головы. Не меньшее изумление вызывала его способность извергать из них пламя. Став взрослыми, мы переставали верить а чудеса. Однако такие животные в природе действительно существуют. Они, конечно, не дышат огнем, но по способности восстанавливать утраченные части тела не имеют себе равных среди наземных позвоночных.
Природа наделила тритонов такими способностями, что у людей, далеких от герпетологии, возникает закономерный вопрос: «Возможно ли вообще такое?».
Известно, что если схватить ящерицу за хвост, она может его отбросить. Через некоторое время на месте утраченного участка вырастет новый. Такая способность называется регенерацией.
Многие хвостатые земноводные регенерируют не только хвост, но и другие части тела. Например - ноги. Если у тритона ампутировать конечность, то на ее месте через некоторое время вырастет новая, которая почти не будет отличаться от утраченной.
Исследователей, естественно, заинтересовали такие уникальные качества этих животных. От чего зависит регенерация? Почему другие позвоночные не могут отращивать утраченные органы? Нельзя ли добиться, чтобы у людей появилась такая же способность к регенерации?Чтобы получить ответ на эти и другие вопросы, в первую очередь попытались выяснить, какие системы в организме отвечают за регенерацию.
У позвоночных работой практически всех органов (пищеварения, кровеносной системы, мускулатуры и пр.) управляет нервная система. Может быть, и у тритонов она отвечает за регенерацию? Опыты показали, что нервная система действительно имеет отношение к восстановлению утраченных органов. Например, если у тритона удаляли нервы, которые подходили к ноге, а затем эту ногу ампутировали, то после операции она не отрастала. Если же к ампутированному участку подводили нервы из других частей тела, то нога восстанавливалась.
Вскоре стали известны новые факты: конечности хвостатых амфибий, образовавшиеся у зародышей, лишенных нервной системы и, следовательно, никогда не имевших иннервации, способны регенерировать после ампутации.
Ученые решили выяснить, как происходит восстановление утраченной конечности, точнее, за счет каких тканей и клеток. Вначале предположили, что ткани оставшегося (неампутированного) участка продуцируют себе подобные клетки. Но когда сравнили клетки раневой поверхности и клетки неампутированного участка, то оказалось, что они совсем не похожи друг на друга. Возник новый вопрос. Если эти новые клетки резко отличаются от старых, то откуда они появляются? Решить эту проблему позволили современные методы исследований.
Было обнаружено, что рентгеновские лучи тормозят регенерацию. Когда животному облучали голень, а затем ее ампутировали, то нога не отрастала. Если же линия ампутации проходила по бедру, которое не облучалось, регенерация проходила без всяких отклонений. Этот факт ученые считают доказательством того, что новые клетки регенерируемого органа образуются из клеток оставшегося, неампутированного участка.Позже были найдены вещества, воздействие которых способствовало восстановлению утраченных конечностей: растворы поваренной соли, глюкоза, некоторые кислоты, двууглекислая сода.
Казалось бы, на запутанных дорогах эволюции млекопитающие, в том числе и люди, утратили способность к регенерации. Действительно, у человека ампутированный палец, нога или рука не отрастают. Но известно, что эритроциты крови замещаются через каждые четыре месяца. Так, может, все-таки возможно восстановление утраченных тканей и у человека, ведь кровь - это тоже ткань, только жидкая.
И вот в 50-х годах советские ученые первыми начали опыты по регенерации у млекопитающих. Несколько позже подобные исследования проводились и за рубежом. Эксперименты показали, что восстановление ампутированных конечностей возможно, но пока только у новорожденных (опыты проводились на крысах и южноамериканских опоссумах). В 1972 г. американский исследователь Р. Беккер добился регенерации конечностей у 21-дневных крыс, используя как стимулятор слабый электрический ток. Ученым сейчас удается восстановить у подопытных животных кости черепа и, что особенно важно, мышцы сердца.
Решение проблемы регенерации могло бы приблизить избавление человечества от такого распространенного недуга, как сердечно-сосудистые заболевания. Инфаркты миокарда, миокардиты и другие болезни, сердца - одна из основных причин смертности во всех промышленно развитых странах.
Решая вопросы охраны таких животных, как тритоны и саламандры, необходимо помнить, что любой вид уникален. Кроме того, многие животные, в том числе и те, о которых шла речь, являются объектами научных исследований. И кто знает, какие еще сюрпризы преподнесут эти безвестные труженики науки.
Недавно американские асколотли, родственники наших тритонов и саламандр «доказали» ученым, что можно восстанавливать головной мозг. После удаления переднего мозга им вводили измельченные кусочки мозга эмбрионов других животных. При этом не только стимулировалась регенерация мозга, но и значительно увеличивалось количество нервных клеток.
Е. М. Писанец
Источники фото: herp.it, wikipedia.org
Какое существо может отрастить себе новый мозг? December 13th, 2016
Аксолотль, как было установлено учеными, является личинкой мексиканской амбистомы. Амбистомы (Ambystomatidae), семейство хвостатых амфибий. Амбистома — сухопутное животное, внешне похожая на крупную саламандру, но более скромной расцветки.
У аксолотля есть фантастическая способность отращивать утраченные органы.
Мы, конечно, знаем и других животных, которые могут отращивать новые хвосты или лапы, но всем им до аксолотля очень-очень далеко: он умеет полностью восстанавливать не только конечности, но и глаза, челюсти, сердце. И наконец - это единственное позвоночное, которое может заново отрастить повреждённые фрагменты своего мозга.
Как же это происходит?
Исследователи из Института Броуда (Broad Institute of MIT and Harvard) обнаружили, что частично разрушенный паллиум (часть переднего мозга, которая у человека образует кору больших полушарий) аксолотля способен образовывать все типы нейронов, которые были в нём до повреждения. Это означает, что вновь сформированная ткань мозга амфибии может подавать все те же сигналы, что были в её "арсенале" до ранения. Однако есть и ограничения: аксоны (длинные отростки нейронов), связывающие паллиум с другими частями мозга при регенерации, у аксолотлей образуются достаточно плохо. Работа опубликована в журнале eLife.
Ранее уже было известно, что личинки саламандр — аксолотли — могут отращивать не только утраченные конечности, но и некоторые более экзотические части тела — например, участки мозга. Однако не было понятно, насколько правильно при этом происходит регенерация. Ведь для нервной ткани важно не только число и соотношение различных типов клеток, но и порядок их связей друг с другом. Чтобы его определить, американские нейробиологи использовали методы электрофизиологии, а также красители, меняющие цвет нейронов в зависимости от того, как часто они посылают сигналы определённой интенсивности.
Авторы предполагают, что способность аксолотля регенерировать различные типы нейронов связана с его личиночным состоянием. Саламандры могут жить в форме аксолотля до смерти и при этом способны к размножению (размножение на стадии личинки называется неотения). Тем не менее при выполнении определённых условий (например, при добавлении йода в воду) аксолотль в любом возрасте может превратиться во взрослую саламандру. Это означает, что все клетки его тела постоянно готовы к метаморфозу. Грубо говоря, они по свойствам достаточно близки к стволовым клеткам.
Что касается проблем с восстановлением длинных отростков, исследователи считают, что тут дело не в неспособности новых нейронов образовывать аксоны, а в отсутствии соответствующих сигналов со стороны окружающей нервной ткани. При эмбриональном развитии судьба каждой клетки определяется сигнальными веществами, которые выделяют её соседи — другие развивающиеся клетки. Нейроны мозга взрослого аксолотля таких веществ не образуют, поэтому новопришедшие клетки "не понимают", куда направлять аксоны. Однако если в ткань добавить такие вещества, новые аксоны наверняка удастся отрастить.
Механизм регенерации саламандрами утерянных конечностей не имеет ничего общего с действием стволовых клеток, выяснили ученые.
Магические способности саламандр
Способность этих хвостатых земноводных отращивать себе лапы, легкие, мозг волновала человечество на протяжении тысячелетий -- ее изучали Аристотель, Вольтер, Дарвин.
Когда животное теряет часть тела, клетки поверхностного слоя кожи быстро покрывают рану так называемой эпителиальной крышкой, фибробласты разрывают связи с соединительной тканью и образуют на месте раны бластему, из которой формируется новая конечность. К примеру, на новую лапу уходит всего три недели.
В конце XX века ученые предполагали, что клетки саламандр похожи на стволовые, то есть могут превращаться в любой орган.
Мартин Крагль из немецкого Института Макса Планка выяснил, что это не так. Вместе с американскими коллегами он исследовал, как мексиканская саламандра аксолотль Ambystoma mexicanum отращивает себе конечности и ткани. Крагль воспользовался открытиями сотрудников Калифорнийского университета, которые доказали, что клетки бластемы саламандр подобны клеткам в развивающихся конечностях эмбрионов млекопитающих, которые способны обновлять свои конечности, однако теряют эти навыки перед появлением на свет.
Эксперимент в ультрафиолете
Исходя из идеи, что развитие конечностей из бластемы практически повторяет в кратком виде их естественное развитие у растущих существ, немецкие и американские ученые разделили животных на две группы. Первой ввели протеин GFP, полученный из флюоресцирующей медузы. В ультрафиолете этот протеин подсвечивает клетки зеленым цветом, что позволяет ученым проследить происхождение различных клеток и их предназначение. Во вторую группу вошли как взрослые аксолотли, так и личинки. Им ученые ввели клетки с протеином, взятые у генно-модифицированных особей. Личинкам вещество вкалывали туда, откуда, как знали биологи, должны были вырасти различные ткани и органы, в частности нервная система. Взрослым особям сначала вводили клетки с протеином, а потом отрезали от тела по кусочку.
Несколько недель пронаблюдав за подопечными, биологи выяснили, что клетки ведут себя весьма консервативно -- они вырастают лишь в те органы и ткани, из которых произошли. «Главный вывод исследователей: новые клетки мышц производят лишь старые клетки мышц, новые клетки кожи производят лишь старые клетки кожи, новые нейроны производят только старые нервные клетки», -- пишет издание Science Daily.
Нагляднее всего этот процесс наблюдался у личинок: вколотые в область, откуда должна была вырасти нервная система, подсвеченные зеленым клетки распространялись по растущему аксолотлю в точности по схеме нервной системы.
«По всей вероятности, клетки близ ампутированного органа перепрограммируются, что позволяет им запускать эмбриональные программы формирования тканей без возврата к изначальной полипотенциальной клетке», -- отметили исследователи в статье, опубликованной в престижном журнале Nature.
Другими словами, клетки саламандр ведут себя принципиально иным образом, нежели стволовые. Если последние способны получать специализацию и развиваться в практически любые органы, то в клетках саламандр заложен механизм четкой преемственности.
От саламандры к супермену
Преимущество клеток саламандр в том, что для начала процесса регенерации им не нужно доходить до эмбрионального состояния -- они отлично работают будучи взрослыми. Раскрыв тайну «активных клеток», врачи смогут выращивать человеку оторванную руку или ногу по примеру саламандры.
«Однажды мы сможет регенерировать ткани людей», -- верит один из авторов исследования Малькольм Меден. Надежды американских ученых во многом объясняются личностью заказчиков исследования: его проспонсировал департамент обороны США, представители которого хотят помочь перенесшим ампутацию ветеранам Ирака и Афганистана.
В некоторых источниках даже пишут, что Аксолотли могут буквально собирать себя по частям - присоединяя к себе освободившиеся части других сородичей - включая головы.
Грубо говоря, если взять куски аксолотлей, сложить вместе и перемешать, то вполне возможно (утверждать наверняка не берёмся), что этот винегрет вскоре срастётся в нечто единое, поднимется на лапы и отправится по своим аксолотским делам.
Благодаря своим уникальным способностям, эти животные водятся теперь не только в Мексике - их можно найти в научных лабораториях по всему миру, где учёные беспрестанно режут их на кусочки и потом опять складывают, как мозаику, надеясь разгадать этот фокус-покус.
источники
восстановление организмом утраченных частей на той или иной стадии жизненного цикла. Регенерация обычно происходит в случае повреждения или утраты какого-нибудь органа или части организма. Однако помимо этого в каждом организме на протяжении всей его жизни постоянно идут процессы восстановления и обновления. У человека, например, постоянно обновляется наружный слой кожи. Птицы периодически сбрасывают перья и отращивают новые, а млекопитающие сменяют шерстный покров. У листопадных деревьев листья ежегодно опадают и заменяются свежими. Такую регенерацию, обычно не связанную с повреждениями или утратой, называют физиологической. Регенерацию, происходящую после повреждения или утраты какой-либо части тела, называют репаративной. Здесь мы рассмотрим только репаративную регенерацию.Репаративная регенерация может быть типичной или атипичной. При типичной регенерации утраченная часть замещается путем развития точно такой же части. Причиной утраты может быть внешнее воздействие (например, ампутация), или же животное намеренно отрывает часть своего тела (аутотомия), как ящерица, обламывающая часть своего хвоста, спасаясь от врага. При атипичной регенерации утраченная часть замещается структурой, отличающейся от первоначальной количественно или качественно. У регенерировавшей конечности головастика число пальцев может оказаться меньше исходного, а у креветки вместо ампутированного глаза может вырасти антенна.
РЕГЕНЕРАЦИЯ У ЖИВОТНЫХ Способность к регенерации широко распространена среди животных. Вообще говоря, низшие животные чаще способны к регенерации, чем более сложные высокоорганизованные формы. Так, среди беспозвоночных гораздо больше видов, способных восстанавливать утраченные органы, чем среди позвоночных, но только у некоторых из них возможна регенерация целой особи из небольшого ее фрагмента. Тем не менее общее правило о снижении способности к регенерации с повышением сложности организма нельзя считать абсолютным. Такие примитивные животные, как гребневики и коловратки, практически не способны к регенерации, а у гораздо более сложных ракообразных и амфибий эта способность хорошо выражена; известны и другие исключения. Некоторые близкородственные животные сильно различаются в этом отношении. Так, у дождевого червя из небольшого кусочка тела может полностью регенерировать новая особь, тогда как пиявки неспособны восстановить один утраченный орган. У хвостатых амфибий на месте ампутированной конечности образуется новая, а у лягушки культя просто заживает и никакого нового роста не происходит.Многие беспозвоночные способны к регенерации значительной части тела. У губок, гидроидных полипов, плоских, ленточных и кольчатых червей, мшанок, иглокожих и оболочников из небольшого фрагмента тела может регенерировать целый организм. Особенно примечательна способность к регенерации у губок. Если тело взрослой губки продавить через сетчатую ткань, то все клетки отделятся друг от друга, как просеянные сквозь сито. Если затем поместить все эти отдельные клетки в воду и осторожно, тщательно перемешать, полностью разрушив все связи между ними, то спустя некоторое время они начинают постепенно сближаться и воссоединяются, образуя целую губку, сходную с прежней. В этом участвует своего рода «узнавание» на клеточном уровне, о чем свидетельствует следующий эксперимент. Губки трех разных видов разделяли описанным способом на отдельные клетки и как следует перемешивали. При этом обнаружилось, что клетки каждого вида способны «узнавать» в общей массе клетки своего вида и воссоединяются только с ними, так что в результате образовалась не одна, а три новых губки, подобные трем исходным.
Ленточный червь, длина которого во много раз превышает его ширину, способен воссоздать целую особь из любого участка своего тела. Теоретически возможно, разрезав одного червя на 200 000 кусочков, получить из него в результате регенерации 200 000 новых червей. Из одного луча морской звезды может регенерировать целая звезда.
Моллюски, членистоногие и позвоночные не способны регенерировать целую особь из одного фрагмента, однако у многих из них происходит восстановление утраченного органа. Некоторые в случае необходимости прибегают к аутотомии. Птицы и млекопитающие как эволюционно наиболее продвинутые животные меньше других способны к регенерации. У птиц возможно замещение перьев и некоторых частей клюва. Млекопитающие могут восстанавливать покров, когти и частично печень; они способны также к заживлению ран, а олени - к отращиванию новых рогов взамен сброшенных.
Процессы регенерации . В регенерации у животных участвуют два процесса: эпиморфоз и морфаллаксис. При эпиморфической регенерации утраченная часть тела восстанавливается за счет активности недифференцированных клеток. Эти клетки, похожие на эмбриональные, накапливаются под пораненным эпидермисом у поверхности разреза, где они образуют зачаток, или бластему. Клетки бластемы постепенно размножаются и превращаются в ткани нового органа или части тела. При морфаллаксисе другие ткани тела или органа непосредственно преобразуются в структуры недостающей части. У гидроидных полипов регенерация происходит главным образом путем морфаллаксиса, а у планарий в ней одновременно участвуют и эпиморфоз, и морфаллаксис.Регенерация путем образования бластемы широко распространена у беспозвоночных и играет особенно важную роль в регенерации органов у амфибий. Существует две теории происхождения бластемных клеток: 1) клетки бластемы происходят из «резервных клеток», т.е. клеток, оставшихся неиспользованными в процессе эмбрионального развития и распределившихся по разным органам тела; 2) ткани, целостность которых была нарушена при ампутации, «дедифференцируются» в области разреза, т.е. дезинтегрируются и превращаются в отдельные бластемные клетки. Таким образом, согласно теории «резервных клеток», бластема образуется из клеток, остававшихся эмбриональными, которые мигрируют из разных участков тела и скапливаются у поверхности разреза, а согласно теории «дедифференцированной ткани», бластемные клетки происходят из клеток поврежденных тканей.
В подтверждение как одной, так и другой теории имеется достаточно данных. Например, у планарий резервные клетки более чувствительны к рентгеновским лучам, чем клетки дифференцированной ткани; поэтому их можно разрушить, строго дозируя облучение, чтобы не повредить нормальные ткани планарии. Облученные таким образом особи выживают, но утрачивают способность к регенерации. Однако если только переднюю половину тела планарии подвергнуть облучению, а затем разрезать, то регенерация происходит, хотя и с некоторой задержкой. Задержка свидетельствует о том, что бластема образуется из резервных клеток, мигрирующих на поверхность разреза из необлученной половины тела. Миграцию этих резервных клеток по облученной части тела можно наблюдать под микроскопом.
Сходные эксперименты показали, что у тритона регенерация конечностей происходит за счет бластемных клеток местного происхождения, т.е. за счет дедифференцировки поврежденных тканей культи. Если, например, облучить всю личинку тритона, за исключением, скажем, правой передней конечности, а затем ампутировать эту конечность на уровне предплечья, то у животного отрастает новая передняя конечность. Очевидно, что необходимые для этого бластемные клетки поступают именно из культи передней конечности, так как все остальное тело подверглось облучению. Более того, регенерация происходит даже в том случае, если облучают всю личинку, за исключением участка шириной 1 мм на правой передней лапке, а затем последнюю ампутируют, производя разрез через этот необлученный участок. В этом случае совершенно очевидно, что бластемные клетки поступают с поверхности разреза, поскольку все тело, включая правую переднюю лапку, было лишено способности к регенерации.
Описанные процессы анализировали с применением современных методов. Электронный микроскоп позволяет наблюдать изменения в поврежденных и регенерирующих тканях во всех деталях. Созданы красители, выявляющие определенные химические вещества, содержащиеся в клетках и тканях. Гистохимические методы (с применением красителей) дают возможность судить о биохимических процессах, происходящих при регенерации органов и тканей.
Полярность . Одна из самых загадочных проблем в биологии - происхождение полярности у организмов. Из шаровидного яйца лягушки развивается головастик, у которого с самого начала на одном конце тела находится голова с головным мозгом, глазами и ртом, а на другом - хвост. Подобным же образом, если разрезать тело планарии на отдельные фрагменты, на одном конце каждого фрагмента развивается голова, а на другой - хвост. При этом голова всегда образуется на переднем конце фрагмента. Эксперименты ясно показывают, что у планарии существует градиент метаболической (биохимической) активности, проходящий по передне-задней оси ее тела; при этом наивысшей активностью обладает самый передний конец тела, а в направлении к заднему концу активность постепенно снижается. У любого животного голова всегда образуется на том конце фрагмента, где метаболическая активность выше. Если направление градиента метаболической активности в изолированном фрагменте планарии изменить на противоположное, то и формирование головы произойдет на противоположном конце фрагмента. Градиент метаболической активности в теле планарий отражает существование какого-то более важного физико-химического градиента, природа которого пока неизвестна.В регенерирующей конечности тритона полярность новообразуемой структуры, по-видимому, определяется сохранившейся культей. По причинам, которые еще остаются неясными, в регенерирующем органе формируются только структуры, расположенные дистальнее раневой поверхности, а те, что расположены проксимальнее (ближе к телу), не регенерируют никогда. Так, если ампутировать кисть тритона, а оставшуюся часть передней конечности вставить обрезанным концом в стенку тела и дать этому дистальному (отдаленному от тела) концу прижиться на новом, необычном для него месте, то последующая перерезка этой верхней конечности вблизи плеча (освобождающая ее от связи с плечом) приводит к регенерации конечности с полным набором дистальных структур. У такой конечности имеются на момент перерезки следующие части (начиная с запястья, слившегося со стенкой тела): запястье, предплечье, локоть и дистальная половина плеча; затем, в результате регенерации, появляются: еще одна дистальная половина плеча, локоть, предплечье, запястье и кисть. Таким образом, инвертированная (перевернутая) конечность регенерировала все части, расположенные дистальнее раневой поверхности. Это поразительное явление указывает на то, что ткани культи (в данном случае культи конечности) контролируют регенерацию органа. Задача дальнейших исследований - выяснить, какие именно факторы контролируют этот процесс, что стимулирует регенерацию и что заставляет клетки, обеспечивающие регенерацию, скапливаться на раневой поверхности. Некоторые ученые полагают, что поврежденные ткани выделяют какой-то химический «раневой фактор». Однако выделить химическое вещество, специфичное для ран, пока не удалось.
РЕГЕНЕРАЦИЯ У РАСТЕНИЙ Широкое распространение регенерации в царстве растений обусловлено сохранением у них меристем (тканей, состоящих из делящихся клеток) и недифференцированных тканей. В большинстве случаев регенерация у растений - это, в сущности, одна из форм вегетативного размножения. Так, на кончике нормального стебля имеется верхушечная почка, обеспечивающая непрерывное образование новых листьев и рост стебля в длину в течение всей жизни данного растения. Если отрезать эту почку и поддерживать ее во влажном состоянии, то из имеющихся в ней паренхимных клеток или из каллуса, образующегося на поверхности среза, часто развиваются новые корни; почка при этом продолжает расти и дает начало новому растению. То же самое происходит в природе, когда отламывается ветка. Плети и столоны разделяются в результате отмирания старых участков (междоузлий). Таким же образом разделяются корневища ириса, волчьей стопы или папоротников, образуя новые растения. Обычно клубни, например клубни картофеля, продолжают жить после отмирания подземного стебля, на котором они выросли; с наступлением нового вегетационного периода они могут дать начало собственным корням и побегам. У луковичных растений, например у гиацинтов или тюльпанов, побеги формируются у основания чешуй луковицы и могут в свою очередь образовывать новые луковицы, которые в конечном счете дают корни и цветоносные стебли, т.е. становятся самостоятельными растениями. У некоторых лилейных воздушные луковички образуются в пазухах листьев, а у ряда папоротников на листьях вырастают выводковые почки; в какой-то момент они опадают на землю и возобновляют рост.Корни менее способны к образованию новых частей, чем стебли. Клубню георгина для этого необходима почка, образующаяся у основания стебля; однако батат может дать начало новому растению из почки, образуемой корневой шишкой.
Листья тоже способны к регенерации. У некоторых видов папоротников, например у кривокучника (
Camptosorus ), листья сильно вытянуты и имеют вид длинных волосовидных образований, заканчивающихся меристемой. Из этой меристемы развивается зародыш с зачаточными стеблем, корнями и листьями; если кончик листа родительского растения наклонится вниз и соприкоснется с землей или мхом, зачаток начинает расти. Новое растение отделяется от родительского после истощения этого волосовидного образования. Листья суккулентного комнатного растения каланхое несут по краям хорошо развитые растеньица, которые легко отпадают. Новые побеги и корни формируются на поверхности листьев бегонии. Специальные тельца, называемые зародышевыми почками, развиваются на листьях некоторых плауновых (Lycopodium ) и печеночников (Marchantia ); упав на землю, они укореняются и образуют новые зрелые растения.Многие водоросли успешно размножаются, расчленяясь на фрагменты под ударами волн.
См. также СИСТЕМАТИКА РАСТЕНИЙ. ЛИТЕРАТУРА Мэттсон П. Регенерация - настоящее и будущее . М., 1982Гилберт С. Биология развития , тт. 1-3. М., 1993-1995
Loading...