Підручник з Біології і екології. 10 клас. Соболь - Нова програма

Зміна буття... це перехід кількісного в якісне і навпаки.

Г. В. Ф. Гегель

§ 57. РІСТ І РОЗВИТОК КЛІТИН ТА ЧИННИКИ, ЩО НА НЬОГО ВПЛИВАЮТЬ

Основні поняття й ключові терміни: ЦИТОГЕНЕЗ. Ріст клітин. ДИФЕРЕНЦІАЦІЯ КЛІТИН. Детермінація клітин.

Пригадайте! Що таке клітина?

Поміркуйте!

Закон взаємного переходу кількісних змін в якісні — це загальний закон розвитку: кількісні зміни поступово накопичуються й спричиняють зміну якості об'єкта або явища, що здійснюється стрибкоподібно. Будь-який предмет або явище має певну якість, що відрізняє його від інших предметів та явищ, і певну кількість, що характеризує їх щодо розмірів, об'єму, маси тощо. Чи справедливий цей закон для життя клітин?

ЗМІСТ

Які відбуваються ріст і розвиток клітин?

ЦИТОГЕНЕЗ — це ріст й розвиток клітин, що супроводжуються взаємопов'язаними кількісними й якісними перетвореннями. Після свого утворення клітини починають «кількісно» рости й «якісно» розвиватися. Прикладом цитогенетичних перетворень є утворення клітин крові, сперматогенез, овогенез тощо.

Ріст клітин — це сукупність кількісних змін, що зумовлюють збільшення розмірів, маси та об'єму клітин. Ріст клітин визначається переважанням анаболічних процесів синтезу над катаболічними процесами розпаду речовин. Усі клітини здатні до росту, але в кожної з них він відбуватиметься з певними особливостями, що залежать від зовнішніх та внутрішніх чинників. На ріст клітин впливають температура, наявність поживних речовин й води, відсутність шкідливих чинників, функції, рН середовища тощо. Із внутрішніх чинників виокремимо генетичну інформацію та наявність чинників росту. Чинники росту — природні білки, що зв'язуються із рецепторами на поверхні клітин і стимулюють процеси росту. Крім того, чинники росту важливі для регулювання різноманітності клітинних процесів.

Розвиток клітин — це сукупність якісних змін, що ведуть до появи відмінностей порівняно з попередніми стадіями. У результаті розвитку виникає новий стан клітини, що визначається змінами її хімічного складу, будови й життєдіяльності. Ці зміни мають незворотний, напрямлений та закономірний характер. Під час розвитку відбуваються зміни в цитоплазмі клітин унаслідок її взаємодії з ядром.

Процесам росту й розвитку притаманні певні обмеження, що стримують збільшення розмірів й зміну форми в певних межах (іл. 129). Зі збільшенням лінійних розмірів вдвічі площа поверхні клітини збільшується в 4 рази, а об'єм — у 8 разів. Це має важливе значення для обміну речовин, енергії та інформації із зовнішнім для клітини середовищем. Розміри клітин обмежуються передусім ефективністю дифузії, що забезпечує транспортування важливих йонів, елементів і молекул у цитоплазмі й крізь клітинну мембрану.

Іл. 129. Ріст й розвиток еритроцита (вгорі) і рослинної клітини (внизу)

Знання цитогенезу кожної клітини і того, як гени контролюють їхній нормальний розвиток, допоможуть науковцям розкрити механізми виникнення захворювань і впливати на самооновлення клітин.

Отже, цитогенез клітин є нерозривною взаємопов'язаною єдністю процесів їхнього росту й розвитку.

Які клітини є вихідними в процесах цитодиференціації?

Диференціація (від лат. differentia — відмінність) клітин — це утворення різних клітин із початково однорідних, що забезпечує таку важливу для організмів різноманітність (іл. 130). Генетичний матеріал клітин при цьому залишається незмінним. Диференціація клітин створює різноманітність форми, функцій й поведінки, не порушуючи при цьому єдності організмів. А відмінності між клітинами, які мають однаковий набір генів, визначає диференціальна активність генів. У процесі диференціації вмикаються гени, під дією яких клітина перетворюється на певний один тип, і пригнічуються за участі спеціальних білків гени, які могли б спрямувати її по іншому шляху диференціації.

Іл. 130. Схема диференціації клітин

Диференціація клітин в організмі людини й хребетних тварин відбувається в ембріогенезі завдяки зародковим стовбуровим клітинам і продовжується у постембріогенезі завдяки стовбуровим клітинам дорослого організму. Їх можна виявляти практично в кожній тканині дорослого організму, в якому вони беруть участь в регенерації, загоєнні ран. Показано, що кількість стовбурових клітин в організмі зростає при фізичних навантаженнях, у стресових ситуаціях і зменшується з віком.

Стовбурові клітини за своїми можливостями (потенцією) поділяють на такі основні категорії:1) тотипотентні клітини — клітини, які можуть диференціюватися в будь-який тип клітин організму і з яких може утворитися цілий організм (наприклад, зигота, бластомери); 2) плюрипотентні клітини — клітини, які також можуть дати початок кожному типу клітин, але новий організм з них утворитися вже не може (наприклад, мезенхімні клітини, які дають початок клітинам крові, хрящової, кісткової та гладкої м'язової тканин); 3) уніпотентні клітини — клітини, які можуть перетворюватися лише на клітини одного типу (наприклад, клітини епітелію шкіри, сперматогоніїв).

Отже, ДИФЕРЕНЦІАЦІЯ КЛІТИН, або цитодиференціація, — процес виникнення структурних і функціональних відмінностей між клітинами, в результаті чого ці клітини стають спеціалізованими для різних процесів життєдіяльності багатоклітинних організмів.

Які чинники визначають розвиток клітин?

Детермінація клітин (від лат. determinatio — визначення) — сукупність процесів, які спрямовують розвиток клітин. Це процес визначення шляху розвитку клітини та виникнення якісної своєрідності клітин. Єдиної теорії механізму детермінації у науці поки що немає. Науковці вважають, що детермінація відбувається внаслідок дії низки чинників, основними з яких є такі.

1. Диференціальна активність генів. Диференціація клітин відбувається без змін генотипу, тобто всі клітини мають певний набір генів, властивий організму, але експресія цих генів регулюється таким чином, що різні клітини синтезують різні білки і стають спеціалізованими клітинами. Основними механізмами, що зумовлюють вибіркову діяльність генів, є: а) генетичні механізми регуляції (на рівні транскрипції, процесингу РНК, трансляції і післятрансляційної модифікації білків); б) епігенетичні механізми регуляції (РНК-інтерференція, метилювання, регуляція на рівні хроматину).

2. Цитоплазматичний розподіл (сегрегація), в результаті чого якісно відмінні ділянки цитоплазми зиготи потрапляють в різні дочірні клітини. Цитоплазма впливає певним чином на активацію або гальмування генів, що приводить до синтезу певних молекул РНК, а тим самим і синтезу білків, даного типу клітин.

3. Ембріональна індукція — взаємовпливи поруч розміщених клітин.

4. Інтеграція клітин — це сукупність процесів, що забезпечують існування клітин у сталих або тимчасових клітинних комплексах для виконання певних функцій. У таких комплексах першочергову роль відіграють міжклітинні контакти. Завдяки інтеграції проявляються властивості біологічних систем, що є ефектом взаємодії клітин. Ці нові властивості, яких немає в окремих клітин і які виникають в клітинних комплексах, називаються емерджентними (від лат. emergo — виникаю).

Отже, основними чинниками детермінації розвитку клітин є низка внутрішніх і зовнішніх для клітини біологічних, хімічних та фізичних впливів на її спадкову інформацію.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на застосування знань

Перед вами ілюстрація процесу диференціації еритроцитів (еритропоезу). Застосуйте свої знання та ілюстрацію для виконання тестового завдання. За умови правильних відповідей отримаєте прізвище науковця, який відкрив еритроцити. Назвіть особливості розвитку еритроцитів, відображених на ілюстрації.

Тест-конструювання «Розвиток еритроцитів»

1. Де утворюються еритроцити в організмі дорослої людини?

К у печінці

Л у червоному кістковому мозку

М у нирках

Н у селезінці

2. Укажіть вихідні клітини, з яких починається еритропоез.

Д уніпотентні стовбурові

Е плюрипотентні гемацитобласти

Є проеритробласти

Ж ретикулоцити

3. Скільки триває процес диференціації еритроцитів у нормі?

А 100—120 днів

Б 50—60 днів

В 3—5 днів

Г упродовж одного дня

4. Які клітини є безпосередніми попередниками еритроцитів?

В гемоцитобласти

Г еритробласти

Д нормобласти

Е ретикулоцити

5. Де утворюється гормон еритропоетин, що регулює еритропоез?

К у наднирковій залозі

Л у печінці

М у тимусі

Н у нирках

6. Які вітаміни необхідні для росту й розвитку еритроцитів?

А тіамін й аскорбінова кислота

Б ретинол і нікотинова кислота

В ергокальцифероли

Г ціанкобаламін і фолієва кислота

7. Які біоелементи необхідні для еритропоезу?

У Ферум і Кобальт

Ф Натрій і Кальцій

Х Хром і Нікель

Ц Алюміній і Магній

8. Яка функція визначає особливості будови еритроцитів?

К дихальна

Л захисна

М зсідання крові

Н поживна

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Відкриття. Індуковані стовбурові клітини

Лауреатами Нобелівської премії 2012 р. з фізіології і медицини стали британський біолог Д. Гердон та японський науковець С. Яманака «за роботи в галузі біології розвитку і отримання індукованих стовбурових клітин». Їхні експерименти доводять, що кожна клітина має здатність перепрограмувати себе, щоб знову стати юною і перетворитися на будь-яку клітину дорослого організму. В чому суть їхніх експериментів і яке значення цього відкриття для людини?

Д. Гердон та С. Яманака

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке цитогенез? 2. Які процеси є його основою? 3. Що таке диференціація клітин? 4. Назвіть основні категорії стовбурових клітин? 5. Що таке детермінація клітин? 6. Назвіть основні чинники, що визначають диференціацію клітин.

7—9

7. Які відбуваються ріст і розвиток клітин? 8. Які клітини є вихідними в процесах цитодиференціації? 9. Які чинники визначають розвиток клітин?

10—12

10. На конкретному прикладі охарактеризуйте процес утворення, росту й диференціації клітин.