БИОЛОГИЯ РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВВЕДЕНИЕ Биология размножения

БИОЛОГИЯ РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВВЕДЕНИЕ

Биология размножения и развития (БИР) — раздел современной биологии, предметом которой является онтогенез (onthos - сущее genesis - развитие). Онтогенез – индивидуальное развитие особи, вся совокупность преобразований от зарождения до конца жизни (Геккель, 1866).

Зарождение - оплодотворение яйцеклетки; - начало самостоятельной жизни вегетативного органа; - деление материнской одноклеточной особи. Конец жизни - смерть; - новое деление.

NB! ог ен Отрезок онтогенеза (ОГ), который будет подробно изучаться в курсе БИР жд е ро Эмбриогенез (еm bryo (греч. ) – в оболочках) ни е тв о ре ни е ез оп ло до ог ен ез га ме т пр е га м ет ог ен ез пр + Постнатальный онтогенез - Рост; - Метаморфоз; - Бесполое размножение; -Регенерация

NB! иммунология Молекулярная биология биохимия Генетика, в т. ч. молекулярная и цито- БИР Теория эволюции цитология Экспериментальная эмбриология (70 -80 годы XIX в. ) Эволюционная эмбриология Сравнительная эмбриология Описательная эмбриология

NB! иммунология Молекулярная биология Генетика, в т. ч. молекулярная и цито- цитология БИР Теория эволюции биохимия Экспериментальная эмбриология (70 -80 годы XIX в. ) Эволюционная эмбриология Сравнительная эмбриология Описательная эмбриология

Главная цель БИР – создание единой теории онтогенеза и разработка способов управления им.

Общие методы БИР Описательный (анализ) – разложение предмета на составные части. Сравнительный (синтез фактов) – соединение полученных при анализе частей в нечто целое: рождение новых гипотез, теорий и законов. Экспериментальный - (анализ и «опытный синтез» ) – проверка теоретических построений в эксперименте. Системный (анализ и синтез с использованием фактов и закономерностей, установленных в смежных областях знаний) – обобщение на общенаучном уровне.

Описательный метод Позволяет получить ответ на вопрос: Как идет развитие? Основная задача: получение новых фактов, описание развития как можно большего числа видов, не только на уровне целого организма, но и на клеточном, и молекулярном. Используется в описательной эмбриологии

Сравнительный метод Позволяет получить ответ на вопрос: Почему идет развитие? Основная задача: установление причин развития Реализуется сравнительной и эволюционной эмбриологией

Принципы объяснения причин развития Теологический (греч. theos – бог) – развитие объясняется божественным промыслом (сверхъестественная причина). Господствовал до появления сравнительного метода.

Принципы объяснения причин развития (для сравнительного метода) Телеологический (греч. teleos – цель) – развитие органа объясняется функцией, которую он будет выполнять в будущем. Причина возникает после следствия: настоящее детерминировано (предопределено) будущим. Широко распространен и в наше время, но ничего не объясняет.

Принципы объяснения причин развития (для сравнительного метода) Филогенетический – развитие идет согласно плану строения организма, который сформировался в ходе длительной эволюции. Причина возникает задолго до следствия: настоящее детерминировано крайне отдаленным прошлым. Результат его применения – теоретический тупик.

Экспериментальный метод Позволяет выяснить непосредственные причины развития Основная задача: расшифровка механизмов развития Реализуется экспериментальной эмбриологией, прежде всего механикой развития

Принцип объяснения причин развития (для экспериментального метода) Принцип причинно-следственных связей= механистического детерминизма – развитие является цепью причин и следствий. Причина всегда возникает раньше следствия: будущее детерминировано настоящим, а оно – прошлым. В настоящее время – господствующий принцип.

Частные методы экспериментальной эмбриологии • Метод культивирования in vitro -клеток; -тканей; -зародышей Основная теоретическая задача: расшифровка механизмов дифференцировки и дедифференцировки

За последние 12 лет 6 Нобелевских премий по физиологии и медицине были вручены за открытия в области биологии развития. В 1912 году ее получили Джон Гëрдон (Кембридж) и Синъя Яманака (Ун-т Киото) за открытие перепрограммирования «взрослых» стволовых клеток в плюрипотентные.

Прикладные задачи: • Решение проблемы лечения раковых заболеваний; • Решение проблемы регенерации (выращивание стволовых клеток);

• Решение проблемы регенерации (выращивание стволовых клеток);

Прикладные задачи: • Решение проблемы лечения раковых заболеваний; • Решение проблемы регенерации (выращивание стволовых клеток); • Выращивание половых клеток и эмбрионов с целью трансплантации;

• Выращивание половых клеток и эмбрионов с целью трансплантации;

Прикладные задачи: • Решение проблемы лечения раковых заболеваний; • Решение проблемы регенерации (выращивание стволовых клеток); • Выращивание половых клеток и эмбрионов с целью трансплантации; • Криоконсервация половых продуктов и эмбрионов; • Стимулирование партеногенеза и получение организмов одного пола.

• Стимулирование партеногенеза и получение организмов одного пола.

Частные методы экспериментальной эмбриологии • Метод трансплантации -ядер; -клеток; -тканей; -зародышей (трансплантационная хирургия) Теоретические задачи: -изучение роли ядра в передаче наследственной информации и регуляции процессов развития; -получение клонов.

NB! зигота Соматическая клетка Гибридная клетка Схема первых опытов по клонированию

NB! зигота Соматическая клетка Гибридная клетка Схема опыта соматической гибридизации

Родилась только одна овечка В опыте участвовало 277 яйцеклеток Схема получения знаменитой овечки Долли - первого (? ) в истории клонированного млекопитающего ( под рук-вом Я. Вилмута (Рослинский институт, Шотландия). Долли 1996 -2003

Чайлахян Л. М. , Вепринцев Б. Н. , Свиридова Т. А. , Никитин В. А. Электростимулируемое слияние клеток в клеточной инженерии. Биофизика, 1987, т. 32, № 5, с. с. 874 -887.

Примеры клонирования млекопитающих

Прикладные задачи: • Получение большого количества организмов с одинаковыми свойствами; • Получение большого количества эмбрионов от выдающихся производителей с/х животных и имплантация их в менее продуктивных особей; • Получение эмбрионов от редких видов и имплантация их в самок обычных видов; • Решение проблемы бесплодия и невынашивания плода у человека (ЭКО); • Решение проблемы «починки» организма при утрате органов, в т. ч. и проблемы отторжения имплантата.

Частные методы экспериментальной эмбриологии • Метод конструирования новых, ранее не существующих клеток (клеточная инженерия) и геномов (генная инженерия) Теоретическая задача: создание организмов с новыми сочетаниями желательных свойств.

Прикладные задачи: • Получение химер(гибридов) с заданными сочетаниями свойств (трансгенные организмы); • Терапия генома ( в человеческих популяциях выявлено более 2000 дефектных генов);

Примеры трансгенных животных

Примеры трансгенных растений

Несмотря на выдающиеся успехи экспериментального метода, в последние десятилетия в БИР возник теоретический кризис, связанный с нарушением принципа причинно-следственных связей в определенные моменты развития (точки бифуркации, от лат. furca - вилка). Это связано с тем, что развитие обладает свойством необратимости, которое характеризует особый класс самоорганизующихся систем.

Системный метод Основная задача: выяснение принципов и факторов самоорганизации зародыша Реализуется синергетикой – наукой, изучающей общие принципы, закономерности и явления в самоорганизующихся системах. Теория самоорганизации –одно из важнейших научных открытий, которое является примером синтеза самых разных наук и может быть приложимо ко всем областям знания.

В мире существует класс систем, способных в ходе необратимых процессов самоусложняться: при этом возникают новые, ранее ни в какой форме не существовавшие структуры. Эти системы относятся к различным категориям (физические, химические, биологические, экологические, социальные и др. ). В них не действует II закон термодинамики.

Принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же, (независимо от категории систем), и для их описания существует общий математический аппарат. Он включает - понятия устойчивости и неустойчивости фазных состояний; - теорию симметрии; - качественную теорию диф. уравнений; - теорию автоколебательных процессов и др.

Пример физической самоорганизующейся системы: шарик на неровной поверхности.

Эпигенетический ландшафт ( по: Рэфф, Коффмен, 1986). Шарик на вершине изображает эмбриональную клетку, а долины под ним – различные пути развития, по которым она может пойти.

Пример химической самоорганизующейся системы: реакция Белоусова-Жаботинского Это класс химических реакций протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др. ) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

Это окислительно-восстановительные реакции, которые различаются окислителями (броматы, иодаты и др. ), восстановителями – органическими кислотами (малоновая кислота, броммалоновая кислота, лимонная кислота, яблочная кислота и др. ), и идут в присутствии катализаторов (Ce 3+, Mn 2+ и комплексы Fe 2+, Ru 2+). При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний.

Самыми конструктивными из всех природных необратимых процессов, ведущими к образованию наиболее сложных и совершенных систем являются эмбриогенез и эволюция. Применение принципов теории самоорганизации к изучению развития позволило установить: • Как самоорганизующаяся система онтогенез имеет бифуркационную структуру

NB! Кожная Нервный гребень ЭКТД Нейральная Головной мозг Нервная трубка Спинной мозг Бифуркационная структура развития эктодермы (ЭКТД)

• Число вариантов развития ограничено, и воздействия самой разной природы и интенсивности переключают развитие на одни и те же стандартные пути. • В ходе развития периоды устойчивого равновесия сменяются периодами неустойчивости, неопределенности ( «точки бифуркации» ). • В точках бифуркации нарушается принцип причинно-следственных связей, и исчезающе малая причина может породить громадное по своим масштабам следствие. В период устойчивого равновесия даже сильное воздействие может не иметь последствий.

• Применением принципов синергетики в области БИР занимались эмбриолог Лев Владимирович Белоусов (монография «Биологический морфогенез» , 1987) и биофизик Борис Николаевич Белинцев (монография «Физические основы биологического формобразования» , 1991). • Системный метод позволяет подняться на более высокий уровень мышления, что имеет фундаментальное значение для всей научной картины мира.

Спасибо за внимание!