14.13.3. Инкубация

Развитие зародыша у птиц осуществляется при помощи инкубации. Различают естественную инкубацию - развитие зародыша под наседкой (насиживание) и искусственную инкубацию - развитие зародыша в инкубаторе. Наблюдения над насиживанием показывают, что лучшее развитие зародышей в яйцах происходит при перемежающейся температуре 37-40 оС. Этот факт и учитывают при создании режима в инкубаторах. При искусственной инкубации продолжительность эмбрионального развития составляет у КУР 20-21 сут, уток и индеек - 27-28, гусей - 29-30 сут.                            

В первые 5-6 сут инкубации эмбрион развивается наиболее интенсивно В этот период его питание происходит за счет желтка, который разжижается в результате ферментативного воздействия, а также из перемещающейся в желток жидкой части белковой оболочки. С 12 сут у куриных эмбрионов наступает интенсивное расходование белков, которые полностью используются к моменту вылупления цыпленка. Неусвоенная часть желтка вместе со стенкой желточного мешка втягивается перед вылуплением цыпленка в его брюшную полость где и переваривается.                                            

14.14. Лактация

Вскармливание потомства молоком матери является одним из важнейших проявлений половой функции, а также биологических приспособлений у млекопитающих - высших позвоночных животных и человека. Их анатомическим признаком служат молочные железы, функция которых состоит в образовании и выведении молока из молочных желез т е лактации. Лактацией называется помимо того и период времени, на протяжении которого происходит выделение молока. В целом объем секретируемого молока и продолжительность его выделения у всех видов млекопитающих рассчитан на обеспечение пищей новорожденного потомства. Исключение составляют высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (коровы, козы и др.), УДОИ которых во много раз превосходят потребности собственного потомства и являются основой для развития молочной промышленности.

Во время беременности в молочных железах происходит ряд структурных и функциональных изменений, подготавливающих железы к отделению молока. начинающемуся непосредственно после родов. Изменения эти, так же как и процессы, поддерживающие молочные железы в состоянии готовности к лактации, контролируются эндокринными факторами на протяжении беременности и рефлекторными влияниями в период вскармливания потомства.

Строение молочных желез. Молочные железы являются кожными железами с экзокринным типом секреции, генетически связанными с потовыми железами. И хотя у разных животных они имеют разную форму, по-разному расположены, выделяют молоко неодинакового состава, тем не менее все они имеют

единый план строения.

Железы представляют собой симметричные образования. У хищных, грызунов и других они расположены вентрально по сторонам от средней линии тела, у парнокопытных (коровы, овцы) и непарнокопытных (лошади) - в паховой области, у полуобезьян одна пара на груди и нередко еще одна пара на животе. У летучих мышей и обезьян одна пара на груди. У многоплодных форм железы лежат вдоль всей брюшной поверхности тела, число их может достигать более 20, хотя чаще наблюдается 1-8 пар желез и сосков. Размеры сосков, их форма зависят от видовой принадлежности. У клоачных млекопитающих (утконос, ехидна) соски вообще отсутствуют. У ластоногих китообразных соски скрыты в кожных складках и не выступают наружу даже после родов.              .

У женщин молочные, или грудные, железы располагаются на передней поверхности грудной клетки на уровне от III до VI или VII ребер. Форма, размеры, положение желез зависят от возраста женщины, степени развития ее половых органов, от периода беременности, менструального цикла и индивидуальных особенностей.

Молочные железы у однопроходных состоят из трубчатых мешков с покрывающими их снаружи гладкомышечными клетками. Мешки открываются в сумки волос на специальном железистом поле. Более сложное строение желез у живородящих млекопитающих. Их железы альвеолярного типа, а железистое поле представлено ограниченной областью в виде выпячивания - соска. В зависимости от характера выводных протоков принято различать истинные соски и ложные. На вершине первых открываются многочисленные выводные протоки желез. Этот тип характерен для большинства сумчатых, обезьян и человека. Ложные характеризуются тем, что внутри соска имеется общий выводной канал, открывающийся одним отверстием. Такой тип характерен для копытных и хищных.

 

Рис. 14.16 Упрощенная схема строения молочной железы

1 - грудная мышца, 2 - альвеолы молочной железы, 3 - млечный проток, 4 - млечные синусы, 5 - отверстия протоков на соске, 6 - пигментированный участок (околососковый кружок), 7 - поддерживающая строма, 8 - жировая ткань.

 

Молочная железа является сложно организованным образованием. В ней различают собственно железистые структуры, паренхиму и строму, представленную соединительной тканью. У половозрелой женщины молочная железа состоит из 15-25 обособленных долей (рис. 14.16). Доли отделены друг от друга прослойками рыхлой соединительной ткани с жировыми вкраплениями в которых проходят сосудисто-нервные пучки. Каждая доля представляет собой сложную альвеолярную железку с самостоятельным млечным протоком. По ходу проток расширяется и образует млечный синус, в котором накапливается образовавшееся в альвеолах молоко. Проток открывается самостоятельным отверстием на вершине соска.

В свою очередь каждая доля состоит из более мелких долек молочной железы, которые образованы многократно ветвящимися млечными протоками. Протоки эти вне периода лактации заканчиваются слепыми трубочками на которых в период лактации образуются альвеолы. Стенки альвеол выстланы однослойным кубическим эпителием, кнаружи от которого располагаются корзинчатые миоэпителиоциты. Во время лактации эпителиальные клетки трансформируются в крупные секретирующие клетки - лактоциты, вершины которых обращены в просвет альвеолы. Характерно, что цитоплазма клеток буквально нафарширована митохондриями, а у вершины клетки сконцентрированы капельки жира, белковые гранулы и вакуоли. Это и понятно, так как секреция молока осуществляется по апокриновому типу посредством отшнуровывания клеточных верхушек вместе с накопленными включениями. Последующее формирование молока продолжается в полости альвеолы. Необходимо заметить, что, во-первых, альвеолы выделяют секрет не одновременно, и, во-вторых, секреторный цикл лактоцитов многократно повторяется. В период наполнения секретом лактоциты имеют цилиндрическую или кубическую форму, а после его выведения становятся плоскими. Альвеолы окружены слоем сократительной миоэпителиальной ткани, участвующей в выведении молока

Увеличение молочных желез во время беременности связано с развитием их секреторных областей под влиянием эстрогенов, прогестерона, кортикостероидов, гормона роста, пролактина, плацентарного лактогена. Однако на всем протяжении беременности наличие в крови прогестерона подавляет образование молока. При родах, когда уровень прогестерона снижается, подавление

действия пролактина прекращается и он стимулирует альвеолы к секреции молока.

Секреция молока. Полный цикл лактации включает развитие железы (маммогенез), возникновение секреции молока после родов (лактогенез), развитие и поддержание выделения молока (лактопоэз).

У млекопитающих особое значение для подготовки и поддержания процесса лактации имеет пролактин, участвующий также в регуляции широкого спектра процессов, в том числе роста организма. Гормон имеет много периферических органов-мишеней, включая молочную железу, печень, надпочечники половые железы, однако ни один гормон периферического органа не выполняет функции обратной связи для клеток, синтезирующих пролактин. Уровень базальной секреции пролактина у мужчин и женщин одинаков. Его секреция существенно повышается во время беременности в ответ на действие эстрогенов

и поддерживается во время лактации за счет рефлекторной стимуляции при грудном кормлении.                                      

Молочные железы начинают развиваться у человека на 6-й неделе внутриутробной жизни. Сосок же формируется в течение первых двух лет после рождения ребенка. У мужчин на этом развитие молочных желез приостанавливается. По гистологическому строению они сходны с железами новорожденных. у женщин же развитие желез продолжается, и к 17-летнему возрасту оно практически завершается, хотя до наступления беременности в состоянии желез и возникают изменения, связанные с менструальным циклом. Полным развитием с образованием альвеол молочная железа характеризуется лишь при беременности и лактации. В этот период она увеличивается в размерах, расширяются млечные протоки и вокруг них возникает густая сеть кровеносных сосудов.

После родов в течение первых 2-3 дней лактации выделяется так называемое молозиво - более густой секрет, нежели зрелое молоко, клейкой консистенции, желтого цвета. Цвет молозива зависит от. окраски входящего в него жира, богатого каротиноидами. По своему составу молозиво ближе к тканям организма новорожденного, чем зрелое грудное молоко. Набор аминокислот молозива занимает промежуточное место между белковыми фракциями зрелого молока и фракциями крови. По-видимому, это один из механизмов, способствующий адаптации организма новорожденного в период перехода от плацентарного питания к питанию грудным молоком. В молозивный период лактации отмечено повышение концентрации иммуноглобулинов всех классов. Особенно это касается наиболее биологически активного класса IgA, которые синтезируются в клетках молочной железы. Молозиво богато и гормонами, особенно кортикостероидами. Это приобретает особое значение в первые дни жизни новорожденного, так как функции ряда органов и систем его организма являются еще незрелыми, а активный иммунитет пока находится в стадии становления. Следовательно, естественное вскармливание новорожденных с первых моментов появления на свет обеспечивает местную пассивную иммунологическую защиту его пищеварительного тракта.

Количество зрелого грудного молока у женщин-рожениц постепенно возрастает и достигает максимальных величин к 8-9-й неделе. После этого оно, как правило, остается стабильным и составляет 1-1,5 л в сутки.

В процессе лактогенеза и лактопоэза эпителиальные клетки молочной железы проходят несколько последовательных стадий секреторного цикла. Во-первых, начинается поглощение из тканевой жидкости предшественников молока и последующее накопление этих предшественников в клетке. Во-вторых, возникает собственный внутриэпителиальный синтез сложных специфических молекул секрета. В-третьих, образуются гранулы или капли секрета, куда включается синтезируемый продукт. В-четвертых, осуществляется внутриклеточный транспорт гранул к апикальной поверхности клетки. В-пятых, происходит выход секрета в просвет альвеолы. С завершением этого цикла окончательный состав молока еще не сформирован, наступает следующий этап, называемый "созреванием" молока. Суть его состоит в реабсорбции некоторых компонентов секрета, сбалансировании углеводного и минерального состава. Процесс созревания молока осуществляется в емкостной системе железы.

Расширение и пролиферация млечных ходов, а также значительное развитие альвеол молочной железы, т. е. стимуляция лактогенеза происходит под влиянием эстрогенов, прогестерона, пролактина, соматотропного гормона, лактогенина и других гормонов. Следует иметь в виду, что полный комплекс лактационных гормонов пока что не выяснен. Однако считается, что снижение уровня эстрогенов и прогестерона после родов стимулирует секрецию гипофизарного пролактина и, по-видимому, других гормонов лактогенного комплекса. В свою очередь выделение пролактина контролируется гипоталамусом, в котором вырабатывается особый пролактин-рилизинг фактор.

Особая роль в регуляции лактации отводится окситоцину, стимулирующему отделение молока. Нейроны, секретирующие окситоцин, сочетают свойства нервной и эндокринной клетки одновременно. Как классические нейроны, они имеют на своей поверхности множество синапсов. Мембранный потенциал клетки

 

 

Рис. 14.17 Регуляция молоковыведения СО, ПВ - супраоптическое и паравентрикулярное нейросекреторные ядра гипоталамуса соответственно. АГ - аденогипофиз, НГ - нейрогипофиз, МЭ - миоэпителий альвеол, А - альвеола.

 

может меняться в широких пределах - от деполяризации до гиперполяризации. Как только возникший потенциал действия достигает аксонных терминалей в задней доле гипофиза, он открывает кальциевые каналы, по которым соответствующие ионы по градиенту концентрации поступают в клетку. Повышение концентрации внутриклеточного кальция вызывает движение секреторных гранул, содержащих окситоцин, по направлению к клеточной мембране и выброс содержимого из клетки. В отличие от типичного нейрона, но аналогично типичной эндокринной клетке продукт секреции - окситоцин - выделяется не в синаптическую щель, а во внеклеточное пространство. Отсюда посредством диффузии окситоцин попадает в капилляры, общий кровоток, к органам-мишеням.

Выведение молока из молочной железы связано с простой рефлекторной реакцией: когда младенец сосет грудь, он стимулирует рецепторы соска. Возникающие при этом импульсы через спинной мозг

направляются в гипоталамическую область. Гипоталамус секретирует окситоцин, выделяющийся через заднюю долю гипофиза. Окситоцин вызывает сокращение миоэпителиальной ткани, окружающей альвеолы, и молоко через протоки и синусы выталкивается из сосков (рис. 14.17).

Молоко является сложной биологической жидкостью, содержащей пищевые вещества в оптимальных соотношениях. Оно служит наилучшей пищей для ребенка первого года жизни, обеспечивая его полноценное развитие.

Белки женского молока относятся к идеальным, их биологическая ценность достигает 100%, 18 белковых фракций идентичны белкам сыворотки крови. В женском молоке присутствуют четыре класса иммуноглобулинов - A, G, М, D. Из них наибольшее значение принадлежит глобулину А. Благодаря низкой протеолитической активности желудочного сока детей первых месяцев жизни и присутствию ингибитора трипсина в пищеварительном тракте ребенка не происходит разрушения иммуноглобулинов, что обеспечивает устойчивость детей этого возраста к инфекционным заболеваниям.

Количество жира в женском и коровьем молоке почти одинаково (3,5-3,8%), однако жир грудного молока усваивается несравненно лучше (до 95%). Более высокое содержание ненасыщенных жирных кислот оказывает сберегающее действие на белок пищи, повышает его усвояемость, способствует проявлению физиологического действия витаминов, особенно Bi, С и повышает устойчивость организма к инфекциям. Основным углеводом молока является лактоза. В грудном молоке ее количество составляет 7,0-7,5%, в коровьем - 4,0-4,5%. Содержащийся в лактозе моносахарид галактоза в течение первых недель жизни используется для образования галактоцереброзидов. В грудном молоке содержится также оптимальное количество минеральных солей, соотношение концентраций которых является гарантией их наилучшей утилизации.

Молоко синтезируется из метаболитов, содержащихся в крови: лактоза из глюкозы под действием фермента лактозосинтетазы, белки - из аминокислот жиры - из жирных кислот, глицерола и ацетата. Одного только материнского молока достаточно, чтобы младенец ежедневно прибавлял в весе 25-30 г.

Молочная железа выполняет и функцию избирательного барьера для ряда лекарственных веществ, принимаемых матерью. Между тем алкоголь, никотин, кофеин, йод, ацетилсалициловая кислота, некоторые снотворные ^наркотические вещества и т. д. могут легко переходить в молоко, что необходимо учитывать в период лактации.

В естественных условиях уровень секреции молока определяется не только потребностями потомства, но и скоростью опорожнения железы; особенно отчетливо это выступает у диких видов. У коров при 10-месячной лактации максимальная величина молокообразовательного процесса приходится на 6-7 неделю лактации, у овец - на 3 неделю. Общее количество секретируемого молока наиболее высоко у крупных животных. Например, некоторые киты выделяют его в сутки до 200-250 л. Однако большая интенсивность молочной продукции характерна для мелких видов млекопитающих. Если исходить из расчета на единицу массы тела, крыса, например, производит молока в 13 раз больше коровы.

С окончанием лактации в молочной железе происходит ряд структурных перестроек и она подвергается функциональной инволюции. В климактерическом периоде у женщин в связи со снижением функции яичников и, как следствие, падением уровня эстрогенных гормонов и повышением секреции фолликулостимулирующего гормона гипофиза постепенно наступает инволюция секреторных структур железы. Происходит исчезновение альвеол, спадение млечных протоков и сморщивание железистых долек, замещение железистой ткани фиброзной и жировой тканями, железа уменьшается в размерах.

В условиях лактации, как правило, происходит подавление овуляции. Таким образом, женщина находится в состоянии физиологической контрацепции до тех пор, пока не восстановятся гормональные изменения, вызванные беременностью и лактацией.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Физиологическое значение репродуктивной системы сводится к двум основным функциям. Первая обеспечивает образование половых клеток - овоцитов и сперматозоидов, слияние которых при оплодотворении дает начало развитию зародыша. Эту функцию часто обозначают как генеративную. Вторая функция - эндокринная. Она состоит в продукции половых гормонов, которые оказывают влияние на все процессы, связанные с размножением, начиная с дифференцировки половых признаков и кончая возникновением беременности, развитием плода, выращиванием потомства.

У обоих полов репродуктивная система состоит из половых желез или гонад, и органов полового пути. В мужском организме к последним относятся семявыносящие пути, предстательная железа, семенные пузырьки, половой член; в женском - яйцеводы, матка и влагалище, а также тесно связанные с половой системой молочные железы.

Размножение возможно только с наступлением полового созревания организма. Созревание состоит в том, что половые органы достигают полного развития, а в половых железах начинают вырабатываться половые гормоны и половые клетки. Вся совокупность процессов, обеспечивающих размножение, носит циклический характер. На определенном этапе развития у созревающего организма появляются доминанты полового сближения, оплодотворения, беременности, родовая доминанта. Весь период завершается фазой лактации, обеспечивающей дальнейшее развитие нового организма, подготавливая его к следующему биологическому циклу.

Мужские половые клетки - сперматозоиды. - образуются в семенных канальцах. Они открыты в 1677 г. А. Левенгуком. Сперматозоиды образуются непрерывно и выводятся наружу при половом акте. Сформировавшись в семенных канальцах, они затем переходят в придаток семенника, где пребывают длительное время. Здесь сперматозоиды подготавливаются к продвижению на значительные расстояния, к длительному пребыванию в половых путях самки. Смесь секретов семенников и их придатков, а также семенных пузырьков, предстательной железы, бульбоуретральных желез и желез мочеиспускательного канала носит название спермы.

Яйцеклетки млекопитающих образуются в фолликулах яичников. Впервые их обнаружил и описал русский ученый академик К. М. Бэр в 1827 г. Каждая яйцеклетка окружена слоем фолликулярного эпителия, продуцирующего эстрогенные гормоны. Постепенно фолликул превращается в довольно крупный граафов пузырек, внутри которого помещается яйцеклетка. В развитии фолликула различают четыре фазы: созревание, овуляцию, образование на месте овулировавшего фолликула желтого тела и фазу рассасывания желтого тела. От количества овулировавших фолликулов и оплодотворенных в один период размножения яйцеклеток зависит количество приплода.

В организме самки млекопитающих и в ее половом аппарате в определенные периоды создаются благоприятные условия для оплодотворения яйцеклеток и развития зародышей. По частоте возникновения в течение года этих циклов млекопитающих разделяют на моноэстральных и полиэстральных. Большинство животных, живущих на воле, размножается один раз в год и имеет один период половой активности, во время которого животные спариваются. Вторую группу составляют многие хозяйственно-полезные животные, большинство грызунов и человек. У них в течение года циклы повторяются многократно.

Каждый половой цикл состоит из следующих фаз, или стадий: предовуляционной, овуляционной, послеовуляционной, покоя. Каждая стадия полового цикла характеризуется рядом изменений не только в половом аппарате, но и в организме в целом.

У женщин половой цикл принято называть менструальным циклом. Условно он определяется от первого дня наступившей менструации до первого дня следующей менструации. Менструация возникает в послеовуляционном периоде, если почему-либо не произошло оплодотворения, и на месте лопнувшего фолликула вслед за овуляцией образуется эндокринная железа - желтое тело, продуцирующее гормон прогестерон. С исчезновением желтого тела слизистая оболочка матки подвергается обратному развитию. У высших обезьян и человека ее целостность нарушается, в результате чего возникает кровотечение - менструация. Нормальной длительностью менструального цикла у женщин считается 28 сут, продолжительность менструаций - 2-3 сут.

При спаривании, или половом акте, в половые пути самки вводится сперма самца. Половой акт представляет сложнорефлекторный процесс, в нем участвует ряд безусловных и условных рефлексов. У самцов и самок основными безусловными рефлексами являются: рефлекс полового влечения (рефлекс отыскивания самки или самца), обнимательный рефлекс, рефлекс подготовки половых органов (эрекция), совокупительный рефлекс, рефлекс выделения гамет. В осуществлении безусловных половых рефлексов принимает участие соматическая, симпатическая, парасимпатическая и отчасти метасимпатическая нервная система.

У млекопитающих осеменение внутреннее, оно может быть влагалищным и маточным. При первом эякулят попадает во влагалище, откуда сперматозоиды, активно двигаясь, переходят в матку. При втором типе сперма вводится непосредственно в матку. У человека влагалищный тип эякуляции. Период, в течение которого сперматозоиды в половых путях самки сохраняют способность к оплодотворению, как правило, незначителен. У человека он ограничивается 2 сут. Оплодотворение происходит в основном в ближайшей к яичнику трети яйцевода. Специфической особенностью оплодотворения является проникновение сперматозоидов в цитоплазму яйцеклетки, слияние их ядер и образование зиготы - оплодотворенной яйцеклетки, способной расти, развиваться и давать начало новому организму.

Состояние самки от оплодотворения до рождения плода называют беременностью. В эмбриональном развитии организма млекопитающих различают зародышевый, предплодный и плодный периоды. У отдельных видов животных развитие зародыша имеет ряд особенностей, касающихся характера прикрепления эмбриона к стенке матки и условий его питания. Вначале зародыш получает пищевые вещества с помощью осмоса. Этими веществами являются выделения маточных желез, транссудат крови и лимфы. Позже питание происходит за счет крови материнского организма. Последнее осуществляется через плаценту - образование, развивающееся из наружной оболочки плода и слизистой оболочки матки. Кровеносные сосуды плода и кровеносные сосуды матери входят в плаценте в тесное соприкосновение, отделяясь друг от друга эндотелием капилляров. Кровь матери и кровь плода, однако, никогда не смешиваются.

Плацента - не простая перегородка, она обладает сложными биологическими функциями. Переход веществ из крови матери в кровь плода происходит строго избирательно. Избирательная способность плаценты пропускать одни вещества и задерживать или подвергать биологической обработке другие получила название плацентарного барьера. Таким образом, на протяжении всей беременности функционирует система мать-плацента-плод. Материнский организм обеспечивает оптимальные условия для развития плода,

У плода процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, что обеспечивает его быстрый рост. Легкие у плода не функционируют, из-за чего его кровообращение существенно отличается от кровообращения взрослых организмов. Оно связано с плацентой и называется плацентарным. Кишечник у плода начинает функционировать лишь во второй половине эмбрионального периода. Движения плода прослеживаются в середине беременности. Головной мозг плода находится в состоянии покоя, условнорефлекторной деятельности у него нет, эндокринные железы функционируют.

Результатом законченного эмбрионального развития плода являются роды. Они осуществляются благодаря сокращениям мускулатуры матки и брюшного пресса. Процесс родов делят на три фазы: раскрытие родовых путей, изгнание плода, послеродовая фаза. Родовой акт состоит из ряда рефлексов, многие из которых начинаются с интероцепторов матки. В возникновении родов наибольшая роль принадлежит нейрогуморальной и гормональной системе матери и плацентарному комплексу. Во время третьей фазы родов выходят плодные оболочки - послед.

Важнейшим анатомическим признаком млекопитающих животных и человека являются молочные железы. Они относятся к системе органов размножения. Образование молока после родов и его выведение из, молочных желез - лактация - одно из важнейших биологических приспособлений. Молоко - естественная пища новорожденных, которую, как указывал И. П. Павлов, приготовила сама природа. Молоко имеет сложный химический состав и по биологической ценности превосходит все другие продукты питания. В нем содержится более 100 различных веществ, в том числе более 30 жирных кислот 20 аминокислот, 17 витаминов, много ферментов, около 40 минеральных веществ и другие. Ряд соединений, такие как казеин и лактоза, ни в каких других природных продуктах не встречаются.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Алексеева Л. В. Полицикличность размножения у приматов и антропогенез. М., 1977.

Бабичев В. Н. Нейрогуморальная регуляция овариального цикла. М., 1984. Биология развития млекопитающих. Методы / Под ред. М. Манка. М., 1990.

Вундер П. А. Эндокринология пола. М., 1980.

Герасимова Л. И., Лупандин Ю. В. Физиология репродукции. Петрозаводск, 1997.

Гормональная регуляция размножения у млекопитающих / Под ред. К. Остина., Р. Шорта. М. 1987.

Грачев И. И., Алексеев Н. П. Роль рецепторов в регуляции лактации. Л., 1980.

Донован Б. Т., Верф Тен Бош Дж. Физиология полового развития. М., 1974.

Држевецкая И. А. Основы физиологии обмена веществ и эндокринной системы. М., 1994.

Зеленская Т. М. Эндокринные взаимоотношения и тестикулярные антитела. Киев, 1981.

Новиков С. Н. Феромоны и размножение млекопитающих. Физиологические аспекты. Л. 1988.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Савченко О. Н., Арутюнян Н. А., Степанов М. Г. Экспериментальное бесплодие: Эндокринологические аспекты. СПб., 1992.

Савченков Ю. И., Лобынцев К. С. Очерки физиологии и морфологии функциональной системы мать-плод. М., 1980.

Самойлов А. П. Так называемый секс. Л., 1991.

Смит Дж. М. Эволюция полового размножения. М., 1981.

Чернышева М. П. Гормоны животных. Введение в физиологическую эндокринологию. СПб. 1995.

 

15 ФИЗИОЛОГИЯ СТАРЕНИЯ

ВЕХИ ИСТОРИИ

IV в. до н. э. - Аристотель (Древняя Греция) отметил связь между продолжительностью жизни организмов и протяженностью периода их роста (соотношение 5-6 : 1).

II в. - Вей Поян (Wei Po-Yang, Китай) первым высказал идею о существовании "философского  камня", который должен превращать другие металлы в золото и давать человеку вечную молодость. Этот эликсир алхимики искали на протяжении многих веков.

XVII в. - X. Гюйгенс (Ch. Huygens, Нидерланды) впервые рассчитал среднюю продолжительность жизни.

1817 - Дж. Паркинсон (J. Parkinson, Великобритания) дал описание болезни пожилых людей, внешние проявления которой- тремор головы и конечностей, нарушение походки и речи (болезнь Паркинсона).

1825 - Б. Гомпертц (В. Gompertz, Великобритания) показал, что смертность растет с возрастом в геометрической прогрессии и дал математическое выражение этой зависимости.

1860 - У. Мейкем (W. Makeham, Великобритания) сформулировал уравнение, описывающее динамику смертности. Это уравнение (Гомпертца-Мейкема) и сейчас широко применяется в геронтологии.

1882 - А. Вейсманн (A. Weismann, Германия) предположил, что продолжительность жизни обусловлена ограниченной способностью соматических клеток к размножению.

1889 - Ш. Браун-Секар (Ch. Brown-Sequard, Франция) в опытах на себе показал, что введение вытяжек из семенников животных приводит к временному омоложению.

1903 - И. И. Мечников (Россия) в "Этюдах о природе человека" причиной старения назвал отравление организма продуктами жизнедеятельность кишечной микрофлоры.

1904 - О. Вернер (О. Werner, Германия) описал прогерию взрослых (синдром Вернера) - наследственное заболевание, проявляющееся тем, что задолго до наступления пожилого возраста формируются характерные для старческого организма нарушения (катаракта, атрофия эпидермиса и скелетных мышц, сахарный диабет и т. д.).

1907 - А. Альцгеймер (A. Alzheimer, Германия) описал старческое слабоумие (болезнь Альцгеймера).

1908 - М. Рубнер (М. Rubner, Германия), сравнивая животных разных видов, обнаружил обратную зависимость между продолжительностью жизни и интенсивностью метаболизма.

1912 - А. Каррель (A. Carrel, Франция) заявил, что клетки многоклеточного организма могут размножаться in vitro неограниченно (потенциальное бессмертие соматических клеток), отвергнув гипотезу Вейсманна.

1940 - А. А. Богомолец (СССР) первопричину старения определил как изменение соединительной ткани, связанное с потерей коллоидами своих свойств.

1955 - Ф. Верцар (F. Verzar, Швейцария) создал теорию поперечных сшивок: причиной старения являются дисульфидные мостики, возникающие в макромолекулах и ограничивающие их функции.

1956 - Д. Харман (D. Harman, США) создал теорию свободных радикалов, повреждающих ДНК и тем самым вызывающих старение.

1959 - Л. Силард (Сцилард, L. Szilard, США) предложил теорию, согласно которой причиной старения является радиационное повреждение хромосом.

1964 - Л. Хейфлик (L. Hayflick, США) показал, что клетки, полученные из многоклеточного организма (фибробласты человека), in vitro претерпевают ограниченное число делений, после чего погибают (возврат к взглядам Вейсманна).

1969 - Р. Уолфорд (R. Walford, США) создал иммунологическую теорию старения: программированные изменения клеток иммунной системы детерминируют максимальную продолжительность жизни.

1990-е - Бурное развитие исследований, направленных на продление активной жизни человека. При Российской академии наук создается Геронтологическое общество, возникают специализированные кафедры, центры и институты, проводятся Всероссийские съезды и Международные конгрессы геронтологов и гериатров.

 

Задачей биологии старения является выяснение первичных механизмов, установление их взаимосвязи в процессе жизнедеятельности организма, определение возрастных особенностей адаптации организма к окружающей среде.

15.1. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ И ПРЕДМЕТ ФИЗИОЛОГИИ СТАРЕНИЯ

Человек - единственное существо, знающее о неизбежности своей смерти. Его естественное неприятие этой мысли привело к бесчисленным попыткам найти эликсир бессмертия. Первый по времени появления из известных литературных источников - "Легенда о Гильгамеше" (Шумер, ок. 2000 г. до н. э.) - посвящен именно этому сюжету. Вместо достижения бессмертия человечество добилось значительного увеличения средней продолжительности жизни. Если в доисторические времена она равнялась примерно 20 годам, от Средних веков до XIX в. - 30, то к началу XX в. успехи медицины (главным образом - в предупреждении инфекционных болезней), увеличили среднюю продолжительность жизни человека до 45 лет. Сейчас в благополучных обществах она составляет примерно 75 лет для мужчин и 80 - для женщин (рис. 15.1).

Таким образом, в некоторых странах продолжительность жизни за последние полтора столетия возросла в 2,5 раза, и возникла новая проблема - старение населения. Так, в США уже сейчас возраст 3 млн граждан превышает 85 лет, и ожидается, что  к 2020 г. их будет вдвое больше.

 

Рис. 15.1 Увеличение продолжительности жизни в XX веке (женщины, жительницы развитых стран)

Кривая выживаемости составлена в процентах от числа всех родившихся. М50 - средняя продолжительность жизни, то есть возраст, в котором половина родившихся еще жива. Видно постепенное увеличение этого показателя по мере повышения качества жизни.

 

Целью физиологии старения и  гериатрии (от греч. geron - старик и iatreia - лечение)  является обеспечение человеку возможности активной жизни до 80 лет.

Согласно классификации возрастов ВОЗ, "старостью" называется только промежуток жизни между 75-м и 90-м годами жизни. До достижения 75-летнего возраста человек именуется "пожилым".

Заметим, что наибольшая продолжительность жизни среди животных составляет от 60-80 (слон) до 150 лет (черепахи). Продолжительность жизни животных часто выражается экспоненциальной зависимостью (рис. 15.2).

Теоретически предметом физиологии старения является только здоровый организм человека или животного. Все случаи хронических заболеваний исключаются. Однако смерть от старости, если она вообще имеет место, явление очень редкое: практически каждый организм умирает от приобретенных болезней, но не от самого факта старения и изнашивания. Подсчитано, что если бы были устранены заболевания сердечно-сосудистой системы и рак, то половина людей могла бы дожить почти до 100 лет. На этом основан второй, реалистический, подход, в соответствии с которым физиология старения изучает всех индивидов, достигших преклонного Возраста.

Теории старения. Единой теории старения до сих пор не создано (табл. 15.1). Существующие теории (которые правильнее было бы называть гипотезами) объединяются в две большие группы - генетическую и негенетическую. Сторонники первых считают, что причина старения - в изменении информации, передаваемой от ДНК к синтезируемым в организме белкам. Другая, негенетическая, группа теорий утверждает, что синтез белковых и прочих молекул в течение всей жизни происходит в основном правильно и только потом эти молекулы повреждаются в результате воздействия факторов внешней среды;

накопление таких повреждений и составляет суть процесса старения.

Генетические теории. Один из вариантов генетической теории предполагает существование специальных генов старения. В соответствии с этими взглядами, суть процесса старения - не в нарушении генетической информации, а в том, что в определенный момент жизни экспрессируются соответствующие гены и начинается осуществление изначально заложенной программы старения.

Подобное предположение можно обосновать тем, что удлинение индивидуальной жизни организмов при ограниченности пищевой базы вида препятствовало бы развитию новых организмов и тем самым задерживало бы процессы изменчивости и приспособления вида к меняющимся условиям внешней среды. Впервые подобную мысль высказал А. Вейсманн в 1891 г. Ранее он предложил искать причины старения на клеточном уровне.

У человека описано наследственное заболевание - прогерия (от греч. progeros - преждевременно состарившийся) взрослых, или синдром Вернера, при котором задолго до наступления пожилого возраста формируются такие характерные для старческого организма нарушения, как катаракта, артериосклероз, сахарный диабет, злокачественные опухоли, поседение и атрофия кожи. Синдром Вернера можно рассматривать как генетическую

 

Таблица 15.1

Теории старения

Теория

Главная идея

Современное состояние

Измененных белков

Происходящие со временем претрансляционные изменения в молекулах меняют их конформацию и ферментативную активность, работа клетки нарушается

Подтверждена, точный механизм неясен

Соматических мутаций

Соматические мутации изменяют генетическую информацию и снижают эффективность работы клетки до уровня ее гибели

В нескольких случаях не подтверждена, но образование опухолей по крайней мере отчасти - результат соматических мутаций

Повреждения и восстановления ДНК

В клетке есть механизмы, восстанавливающие ДНК после ее повреждений. По мере старения эффективность восстановления снижается

Подтверждена, точно роль этих механизмов не известна

Катастрофы  ошибок

Нарушение транскрипции и/или трансляции снижает эффективность работы клетки до уровня ее гибели.

Не подтверждена, но в измененном виде соответствует некоторым фактам

Дисдифферен-циации

Нарушение механизмов активации/репрессии генов приводит к синтезу ненужных белков, что снижает эффективность работы клетки до уровня ее гибели

Вероятна

 

Окислительного повреждения, или свободных радикалов

Продолжительность жизни обратно пропорциональна степени окислительного повреждения и прямо пропорциональна активности антиоксидантной защиты.

Подтверждена в некоторых случаях, возможна - и во многих других

Накопления отходов (метаболи-тов)

Отходы обмена веществ (метаболиты) накапливаются в клетке и снижают эффективность ее работы до уровня гибели, если они не удаляются или не растворяются при делении клетки

Возможна, особенно в новой интерпретации, но мало вероятна

Посттрансляционных изменений в белках

Со време.нем происходит химическая модификация важных молекул (например, коллагена), что нарушает функции клетки и снижает эффективность работы организма до уровня его гибели. Поперечные сшивки в молекулах белка - часть этого механизма

Подтверждена

"Носилось и износилось"

Повреждения тканей происходят ежедневно в процессе нормальной жизни. Они нарушают работу организма до уровня его гибели

Подтверждена в ограниченном числе случаев (например, потеря зубов ведет к голоданию). В измененном виде стали частью других теорий

Метаболические теории

Продолжительность жизни обратно пропорциональна величине основного обмена

В исходном виде опровергнуты, превращенные в теорию свободных радикалов, возможно, верны

Генетические теории

Изменения в экспрессии генов вызывают соответствующие изменения в клетках. Предполагается участие множества меха-

внутри- и межклеточном уровнях.

Подтверждены, но нет единого генетического механизма

Апоптоза

 

 

Программированное самоубийство клеток вызывается внеклеточными командами

Старые клетки несут на себе белки, но фаги, опознают их и уничтожают.

Подтверждена. Неспособность вызвать или подавить апоптоз, возможно, ответственна за многие заболевания. Роль в здоровом старении неясна

Подтверждена для ограниченного числа случаев

Нейроэндокринные теории

Нарушения в клетках, выполняющих специфические интегративные функции, ведут к нарушению гомеостаза, старению и смерти

Подтверждены для старения женской репродуктивной системы и других случаев. Возможно подходят и для многих

Иммунологические теории

Продолжительность жизни зависит от специальных генов иммунной системы, одни аллели продляют ее, другие - сокращают. Эти же гены, возможно, регулируют и нейроэндокринную систему. Нарушение этих механизмов снижает эффективность работы организма до уровня его гибели

Вероятны

 

модель преждевременного старения. При детской прогерии (синдроме Гилфорда) признаки старения появляются еще до периода полового созревания, а смерть наступает до 30-летнего возраста от заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Представление о существовании генетической программы старения подтверждается еще и тем, что нормальные диплоидные клетки человеческого организма (например, фибробласты) in vitro могут претерпевать только ограниченное (несколько десятков) число делений. Есть также данные о том, что in vitro клетки человека (долгоживущего существа) претерпевают больше делений, чем клетки мыши (короткоживущего), и что чем старше донор, тем к меньшему количеству делений способны его клетки. Однако, если этим и можно обьяснить процесс старения, смерть от старости имеет другие причины: клетки даже очень старых людей способны делиться еще примерно 20 раз (что намного превышает продолжительность предстоящей жизни человека).

Различные факторы внешней среды способны вызвать изменения в молекулах ДНК. Среди таких факторов первое место занимают ионизирующие излучения: естественные (космические и от скоплений радиоактивных элементов в земной коре) и искусственные. Свободные радикалы, образование которых происходит в организме постоянно, также способны повреждать ДНК. Существуют и другие мутагенные факторы - физические и химические (например, курение). Считается, что именно курение является причиной того, что мужчины живут в среднем на несколько лет меньше, чем женщины.

В молодом организме эффективно работает система ферментов, предназначенных для восстановления возникающих в ДНК дефектов. В старости эффективность этой системы снижается. В результате из определенных участков ДНК исчезают метильные группы. Накопление "ошибок" в молекулах ДНК приводит к синтезу "неправильных" белков, в том числе ферментов со сниженной активностью, и появлению нежелательных белков, например, таких, которые способствуют развитию злокачественных опухолей.

Негенетические теории. В течение жизни индивида молекулы, из которых состоит его организм, повреждаются. Наиболее важны изменения в белках и углеводах. Так, в белках происходит окисление некоторых аминокислотных остатков, гликолизирование (присоединение боковой углеводной цепи) и образование поперечных сшивок (дисульфидных мостиков), усиливающих межмолекулярные связи и ограничивающих функции белковых молекул. Эти модификации молекул с возрастом накапливаются: например, содержание окисленных белков в коже старых крыс может достигать 30-50% .Нарастает количество "сшитых" белков в головном мозгу. При прогерии содержание окисленных белков в организме молодых людей достигает того же уровня, что и у 80-летних.

Структурные модификации белков-ферментов приводят к нарушению их функций. Протеиназы, предназначенные для разрушения окисленных белков, сами модифицируются, и активность их падает. Возникает дефицит пероксид-дисмутазы и каталазы, которые должны инактивировать возникающие свободные радикалы. Избыток свободных радикалов дополнительно повреждает клеточные мембраны. Накопление ошибок в структуре белков препятствует делению клеток.

Накопление свободных радикалов приводит к деструктивному окислению длинноцепочечных углеводородных соединений в клеточных мембранах, в результате чего меняются их свойства, например, снижается текучесть мембран синаптосом. Происходящее в течение жизни изменение молекул снижает прочность молекул и нарушает их функции.

Неоднократно предпринимались попытки объединить обе основные группы теорий старения. Первый вариант объединения сводился к тому, что под действием внешних и внутренних повреждающих факторов нарушается структура молекул ДНК и РНК, в результате чего происходит синтез "неправильных" (незапрограммированных генетически) белков, в том числе ферментов (РНК-полимераз); они в свою очередь обусловливают синтез "неправильных" молекул РНК и так далее, по механизму порочного круга. Сам по себе этот процесс не приводит к смерти организма: когда количество "неправильных" молекул РНК достигает критического уровня, включается механизм самоингибирования и возникает состояние равновесия между синтезами "правильных" и "неправильных" молекул. Второй вариант: в течение жизни происходит окисление белков, в том числе и ферментов, ответственных за поддержание структуры ДНК. В результате в ДНК накапливаются ошибки, что приводит к появлению "неправильных" белковых молекул и т. д.