Розділ 3 Клітинний рівнь організації живої природи
Тема 6. Структура клітинного рівня: біомолекули та органели клітин
§ 42. РІЗНОМАНІТНІСТЬ КЛІТИН БАГАТОКЛІТИННОГО ОРГАНІЗМУ
Терміни та поняття: зигота, зародкові листки, ектодерма, ентодерма, мезодерма, диференційна активність генів, диференціація клітинна, тотипотентність, вегетативне розмноження, регенерація, клон.
Чому в багатоклітинному організмі клітини побудовані по-різному. Для того щоб ефективно жити й розмножуватися, багатоклітинний організм повинен складатися із
Мал. 206.Клітини людини різноманітні за формою і будовою: а – нервова клітина (нейрон); б – посмугована м’язова клітина; в – гладенька м’язова клітина; г – еритроцити;
Очевидно, що клітини, які виконують настільки різні функції, мають бути спеціалізованими й пристосованими до вирішення конкретного завдання. Це досягається шляхом формування великої кількості клітин, які відрізняються різноманітною будовою, розмірами і формою (мал. 206). Адже тільки такий “оркестр”, що складається з великої кількості різних “музикантів”, може зіграти складну симфонію.
Яким чином в одному організмі утворюються такі різні клітини. Багатоклітинний організм бере початок із зиготи – заплідненої яйцеклітини, або зі спори – спеціальної клітини, призначеної для розмноження (пригадайте, в якому випадку новий організм бере початок ані зі спори, ані з зиготи). При дробленні зиготи утворюються однакові клітини. Проте, відповідно до збільшення кількості клітин них поділів і формування зародка, відбувається спеціалізація клітин. Починається процес із формування трьох клітинних шарів, які називаються зародковими листками: зовнішній шар клітин – ектодерма, внутрішній – ентодерма й проміжний – мезодерма. (Пригадайте, у яких тварин уперше з’являється третій зародковий листок.) З ектодерми утворюються покриви й органи чуття, з ентодерми – органи дихальної й травної систем, а з мезодерми – органи, що об’єднують тіло у єдине ціле, зокрема опорно-рухова система.
У кожній клітині “працюють” далеко не всі гени, властиві даному виду організмів, а тільки їх незначна частина. Причому в кожній функціональній групі клітин активні як специфічні гени, так і такі, що активні в усіх клітинах організму. Тому, незважаючи на те, що генетичний матеріал під час поділу розподіляється порівну між двома дочірніми клітинами, у процесі розвитку зародка в новоутворених клітинах проявляють активність ті або інші групи генів. Це явище називається диференційною активністю генів. Саме в такий спосіб клітини починають відрізнятися одна від одної. Наступні клітинні поділи при водять до подальшої диференціації роботи генів, при цьому в клітинах зупиняється синтез одних білків і починається продукування інших. З урахуванням того, що білки – це не тільки структурні компоненти клітинної мембрани, але й регулятори хімічних реакцій, що протікають у клітині (пригадайте, як називаються біологічні каталізатори), набір синтезованих у даній клітині ферментів зрештою і визначає склад речовин, який властивий даній групі клітин. Ці речовини у свою чергу визначають особливості будови й форми клітин, а також їх функції в організмі. Таким чином, вибіркове “включення” тих або інших генів у процесі клітин них поділів зародка й приводить до появи клітин зі специфічною структурою та функціями. Цей процес утворення спеціалізованих клітин називається диференціацією.
Що значить тотипотентність клітини. Якщо припустити, що кожна диплоїдна клітина має повний набір генетичного матеріалу, а відмінності між соматичними клітинами одного організму на генетичному рівні полягають тільки в тому, які гени в них працюють і які білки синтезуються, то теоретично з кожної клітини тіла може розвинутися новий організм. Треба змусити “ввімкнутися” потрібні гени. Цю властивість соматичних клітин давати початок новому організму називають тотипотентністю (від лат. тотус – цілий, сукупний та потентіа – сила, міць, можливість). Однак клітини деяких організмів не втрачають здатність за певних умов відновлювати тотипотентність, а людська зигота не втрачає цю здатність протягом перших 7 діб свого розвитку, і в цей період із будь-якої клітини можна виростити нову повноцінну людину.
З тотипотентності клітин виникає така особливість багатоклітинних організмів, як здатність до розмноження частинами свого тіла – вегетативне розмноження. Тому сама можливість такого способу розмноження є доказом того, що в кожній клітині тіла зберігається весь генетичний матеріал. Вегетативне розмноження властиве більшості рослин і проявляється в різних формах. (Пригадайте способи вегетативного розмноження квіткових рослин.) У тварин розмноження частинами свого тіла (брунькування) зустрічається тільки в досить низькоорганізованих тварин – губок (мал. 207), кишковопорожнинних, плоских і багатощетинкових червів. Тварини з надійним і твердим скелетом і розвиненими системами внутрішніх органів (круглі черви, членистоногі, молюски, хребетні) не здатні до вегетативного розмноження.
З явища тотипотентності випливає здатність організмів до регенерації (від лат. регенераціо – відродження, відновлення). Так, багато видів рослин, зокрема бегонія, здатні відтворити цілу рослину зі шматочка листка, а багато садових рослин (троянда, смородина) розмножують черенками – невеликими пагонами із двома-трьома листками. Процес розвитку нової рослини йде особливо швидко, якщо його стимулювати спеціальними біологічно активними речовинами.
Мал. 207.Губки – тварини, що здатні відновити тіло з декількох клітин
І серед тварин є багато таких, хто здатний повністю відновити все своє тіло з будь-якої його незначної частини. (Пригадайте, чому гідра отримала таку назву.) Більшість тварин такими феноменальними здібностями не володіють, хоча можуть відновити частини свого тіла. Коропи чи карасі без проблем регенерують відрізані плавці або здерту луску, тритони і ящірки відрощують хвіст. У ссавців здатності до регенерації не втратили тільки тканини, у яких постійно відбуваються клітинні поділи, – сполучна й епітеліальна, тоді як м’язова й нервова не відновлюються. Тому в людини регенерує шкіра й печінка, зростаються кістки, але виростити собі ногу або навіть палець замість ампутованого вона не зможе.
Регенерація – біологічний процес, що підлягає оберненій пропорційності: чим примітивніше організована тварина, тем більші фрагменти тіла вона може відновити. Тому, коли ви страждаєте в стоматологічному кабінеті й розмірковуєте про примхливості біології, яка не дозволяє людині регенерувати зуб, утіште себе думкою про те, що відсутність регенерації цілого органа – це незаперечне свідчення того, який високий щабель еволюційного розвитку ви займаєте.
Експериментальні докази тотипотентності клітин були отримані ще у 50-ті роки ХХ ст. У цих дослідженнях із клітини епітелію кишечнику пуголовка жаби за допомогою спеціальних маніпуляцій вилучали ядро, яке потім підсаджували в яйцеклітину жаби, з якої попередньо видаляли ядро. Якщо операція проходила вдало, то яйцеклітина починала ділитися, і з неї розвивався пуголовок, а в деяких випадках навіть виходили дорослі жаби, які нічим не відрізнялися від тих, що з’явилися на світ звичайним шляхом. Хоча більшість таких клітинно-інженерних утворень мали очевидні аномалії розвитку і досить низьку життєздатність. Таким чином, на прикладі жаб було доведено, що в ядрах соматичних клітин зберігається вся необхідна для розвитку організму інформація. Схожі експерименти проводилися й на рослинах. Наприклад, зовсім здорові рослини моркви, які здатні до розмноження, отримували з невеликої кількості клітин флоемної паренхіми (пригадайте з курсу ботаніки, що це за тканина), які, однак, необхідно було стимулювати до поділу спеціальними речовинами.
Ці маніпуляції із клітинами, що тепер стали звичайними для добре оснащеної цитологічної лабораторії, дають підстави вважати: коли з будь-якої клітини зняти обмеження, що на неї накладаються цілісним організмом, то вона може реалізувати увесь свій генетичний потенціал, перетворившись на новий організм. Але виявилося, що це не зовсім так. Дійсно, для рослин і багатьох тварин подібні експериментальні рішення цілком реальні, але для високоорганізованих тварин, таких, як наприклад ссавці, перенесення ядра епітеліальної клітини в яйцеклітину з наступним розвитком зародка усередині материнського організму виявилося досить складним. Найбільш відомим випадком клонування ссавця з ядер соматичної тканини є вівця Доллі (мал. 208). У 277 яйцеклітин були пересаджені ядра, які взяли з епітелію вимені тварини-донора. З них утворилося 29 ембріонів, один з яких і вижив.
Мал. 208. Вівця Доллі
Здається, як це заманливо: одержати клон – серію генетично ідентичних особин із епітеліаль них клітин людини, яка має величезний талант – геніального музиканта, художника або вченого. Але такий шлях вирішення проблем неможливий в принципі. В соматичних клітинах за період їх життя накопичується стільки мутацій, що навіть якби сурогатні матері й виносили дітей з клітин геніїв людства, то такі нащадки не просто були б мало схожими зі своїми геніальними батьками, а, найімовірніше за все, мали генетичні відхилення, через які довго не жили б. Як і вівця Долі, яка прожила тільки 6,5 років.
Деяким клітинам багатоклітинного організму властива тотипотентність – здатність давати початок цілому організму внаслідок клітинної диференціації. Хоча усі вони походять від однієї клітини – зиготи, однак відрізняються від неї набором працюючих генів, які і визначають сукупність хімічних реакцій, що протікають у даній клітині й ті хімічні речовини, які в ній утворюються і накопичуються.
Усі без винятку клітини, з яких побудовано тіло багатоклітинного організму, тотипотентні – вони мають однаковий набір генів. Саме тому із груп соматичних клітин рослин і деяких тварин у природних умовах, а з одиничних клітин або їх ядер – у лабораторних – можна виростити новий організм.
(2 votes, average: 4,00 out of 5)