Биологическая самоорганизация

3.3. Митоз (деление клетки).

Митоз–(деление клетки). Данный механизм самоорганизации биологических систем не связан с реализацией внешних ресурсов и факторов - это приучение живой системы к существованию в условиях дефицита.

Многочисленные исследования показали, что высокодифференцированные клетки не делятся. Однако в клеточных  системах с дефектами и нарушенными метаболическими звеньями запрет на клеточное размножение снимается, и тогда митозы, выступая как специфический механизм самоорганизации, освобождают клетки от накопившихся в них стрессов. Правда, у явления внеплановых клеточных делений есть и другая сторона: даже не очень сильные по интенсивности деления высокодифференцированных клеток будут мешать нормальному отправлению функций тканью или органом, нарушать их упорядоченность и вести по пути снижения адаптации к внешним воздействиям и ускоренного износа.[2]

3.4. Полиплоидизация.

 Там, где митозы невозможны, клетка избирает другой путь самоорганизации - путь полиплоидизации, многократного увеличения генома, что приводит к увеличению потока генетической информации и созданию дополнительных фенотипических ресурсов, обеспечивающих более высокую степень защиты генетических структур и клетки в целом от внешних воздействий. [8]

3.5.Иммунная  система.

Защита организма от проникших в него чужеродных веществ, бактерий, вирусов, паразитов, а также ликвидация отмирающих и мутационно изменившихся собственных клеток тела осуществляется иммунной системой. Это специализированная самостоятельная (наряду с нервной, пищеварительной и др.) система организма. Она включает в себя совокупность всех лимфоидных органов, тканей и клеток организма: вилочковую железу (тимус), селезенку, лимфатические узлы, групповые лимфатические фолликулы  и другие лимфоидные скопления, лимфоциты костного мозга и крови. Особенностями иммунной системы являются: «диффузность», т. е. «разбросанность» по всему телу; циркуляция ее клеток с кровотоком по всем органам; уникальная способность вырабатывать специфические молекулы — антитела. Лимфоидные клетки иммунной системы совместно с фагоцитами (микрофагоциты крови и макрофаги клеток) и осуществляют защиту организма от чужеродных агентов.

        Чужеродные вещества, внедрение  которых в организм вызывает   иммунный   ответ,   называют   антигенами.

Антигенами могут быть (при попадании в другой организм) большинство биологических макромолекул (белки, полисахариды, нуклеотиды) с высокой молекулярной массой — 500 тыс. и выше. Молекулы, имеющие молекулярную массу меньше 5 тыс., редко стимулируют образование антител в организме. Однако некоторые соединения, например полипептидный гормон глюкагон с молекулярной массой 3800 и инсулин с молекулярной массой 6 тыс., вызывают иммунную реакцию.

Специфичность антигенов  — это особенности, которыми антигены отличаются друг от друга. Обусловлены они различиями в структуре молекул антигенов (например, последовательностью аминокислот в молекулах белков, наличием боковых групп, разветвлений       и т.  п.).

Различают две основные формы иммунной защиты: гуморальный иммунитет (защита от большинства бактериальных инфекций, нейтрализация бактериальных токсинов и др.) и клеточный иммунитет (защита от большинства вирусных инфекций и некоторых бактериальных, например туберкулеза, бруцеллеза, туляремии, противоопухолевая  защита,  отторжение чужеродных  органов.

В организме высших животных и человека имеются две относительно самостоятельные системы, обеспечивающие эти формы иммунной защиты: Т-система для осуществления клеточного иммунитета и В-система для осуществления гуморального иммунитета.

Центральным органом - Т-системы  является тимус (вилочковая железа), где формируются Т-лимфоциты — эффекторы клеточного иммунитета. В-лимфоциты, осуществляющие  гуморальный  иммунитет, образуются  в костном мозге).

Предшественником и  Т- и В-лимфоцитов является лимфоидная стволовая клетка костного мозга (которая образуется из кроветворной стволовой клетки — родоначальницы всех клеток крови и лимфы). Если лимфоидный предшественник остается в костном мозге (или мигрирует в сумку Фабрициуса, как это установлено у птиц), то через ряд последовательных делений он созревает до В-лимфоцита. Если стволовая лимфоидная клетка попадает в тимус, то под влиянием его гормонов созревает до Т-лимфоцита.

Макрофаги также ведут свое начало от «прародительницы» — кроветворной стволовой клетки, которая генерирует предшественника макрофага — кроветворную (не лимфоидную) клетку.

Как Т-лимфоциты, так и  В-лимфоциты из генерирующих их органов  поступают в кровь и заселяют периферические лимфоидные органы (селезенку, лимфатические узлы, пейе-ровы бляшки, расположенные в стенках тонкого кишечника).

Клетки фагоцитарной системы — макрофаги, а также микрофагоциты крови — распространены по всему организму: имеются в костном мозге, крови, соединительной ткани, печени, легких, нервной системе, полостях тела и др.

Эти три основных класса клеток — В-лимфоциты, Т-лимфоциты и макрофаги — определяют ход иммунного процесса. Они играют разные роли в иммунном ответе, отличаются по структуре и функциям.

В-лимфоциты — это клетки, характеризующиеся хорошо развитой эндоплазма-тической сетью, «шероховатой» клеточной мембраной, большим объемом цитоплазмы и сравнительно рыхлым ядром. Зрелые В-лимфоциты несут на мембране рецепторы-иммуноглобулины.

Антитела, или иммуноглобулины  обладают свойством специфически связывать чужеродные вещества — антигены.

В настоящее время известны пять классов иммуноглобулинов, которые обозначаются условными символами G, М, А, Е и D. У всех этих белков единый принцип строения: две тяжелые и две легкие цепи соединены в единую четырехцепочечную молекулу. Каждая отдельная боковая цепь — как легкая, так и тяжелая — состоит из двух участков: константного (.постоянного) и вариабельного (изменчивого). У иммуноглобулинов одного класса константные участки идентичны по количеству и последовательности аминокислот. Иммуноглобулины, относящиеся к разным классам, отличаются по аминокислотам константной части тяжелых цепей.

Отличительное свойство иммуноглобулинов — это ярко выраженная изменчивость их вариабельной части легких и тяжелых цепей, относящихся к одному и тому же классу. Предполагают, что у человека и млекопитающих может образоваться около 10⁴ различных по строению вариабельной части иммуноглобулинов одного класса. Это количество соответствует числу потенциально возможных антигенов, с которыми может встретиться организм в течение жизни.

Изучение генетического  контроля структуры антител выявило, что за синтез одной полипептидной цепи — тяжелой или легкой — ответственны два гена: ген, контролирующий вариабельный участок, и ген, контролирующий константный участок.

Способность к продукции иммуноглобулинов приобретается не с первых дней жизни. Новорожденный ребенок практически не имеет собственных иммуноглобулинов, а уровень их в сыворотке крови ребенка в основном обусловлен иммуноглобулинами, полученными от матери через плаценту. Со временем — в возрасте 12—14 недель — уровень иммуноглобулинов падает до минимума. Этим объясняется практическая незащищенность новорожденных детей от инфекций, возникающих у них в этот период жизни.

Т-лимфоциты бедны цитоплазматической сетью, клеточная мембрана у них гладкая, ядро компактное.

В результате дифференцировки  Т-лимфоцитов также созревают  Т-киллеры (убийцы).

Участвующие в  разрушении чужеродных тканей (противоопухолевый  и трансплантационный иммунитет), хелперы, или помощники (участвуют в механизмах формирования В-лимфоцитов) и Т-супрессоры – препятствуют развитию иммунного ответа.

При попадании в организм антигена как Т-, так и В-лимфоциты, обладающие рецепторами к данному антигену, после контакта с ним претерпевают ряд изменений, которые принято обозначать термином «активация».

Уже через несколько  минут после стимуляции антигеном наступают изменения в клеточной мембране лимфоцитов, через несколько часов активируются их основные метаболические процессы: усиливаются гликолиз, синтез белков и РНК- Лимфоцит увеличивается в размерах и приблизительно спустя 1 сутки после начала стимуляции приступает к митозу.

В –  лимфоциты после нескольких делений  превращаются в плазматические клетки и начинают секретировать иммуноглобулины соответствующего класса.

Т-лимфоциты  интенсивно секретируют  многочисленные медиаторы.

Медиаторы можно определить просто как группу веществ, которые являются средством взаимодействия различных типов клеток, участвующих в иммунном ответе. Эти вещества служат посредником между иммунокомпетентными клетками в самых разнообразных ситуациях.

В результате стимуляции антигеном часть Т-лимфоцитов  дифференцируется в Т-клетки памяти. Под иммунологической памятью понимают способность организма реагировать по вторичному типу, т. е. ускоренно и усиленно при повторном введении того антигена, которым организм был иммунизирован ранее. Иммунологическая память сохраняется в течение многих месяцев, а для некоторых антигенов  —  много лет.

Наконец, необходимым  компонентом для иммунного ответа являются макрофаги.

Участие макрофагов в  иммунном процессе многообразно. Макрофаги фагоцитируют антигенсодержащие микроорганизмы и, переваривая излишки антигена, регулируют тем самым интенсивность антигенного стимула. Макрофаги «представляют» антиген лимфоцитам. Суть этого важного процесса заключается в том, что макрофаг, перерабатывая частицу, содержащую антиген, доводит его до активной молекулярной формы, в результате чего значительно повышается иммуногенность антигена (в 100— 1000 раз) и он превращается в так называемый суперантиген, резко усиливающий иммунный ответ. Макрофаги взаимодействуют и с самими Т-лимфоцитами, и эта реакция является необходимым этапом для окончательного созревания Т-эффекторов и приобретения ими способности накапливаться в больших количествах.

Следует подчеркнуть, что  не всегда в организме в ответ на стимуляцию антигеном развивается иммунная реакция. В определенных условиях (обычно при избытке антигена) в организме возникает иммунологическая толерантность. Классическим примером иммунологической толерантности является отсутствие иммунной реакции в организме в отношении антигенов собственных тканей и органов. Считается, что иммунологическая толерантность к собственным антигенам выработалась в процессе эмбриогенеза.

3.6. Биологические часы.

Большинство живых существ: люди, животные, растения — обладает «приборами времени», позволяющими им измерять прошедшие промежутки их жизни. «Живые часы» – это набор физиологических  функций, которые во многих случаях осуществляются без нашего ведома, т.е. путём самоорганизации.

Для значительной части  животных и растений биологические ритмы задаются циклическими изменениями факторов окружающей среды. К таким очевидным факторам можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. По этим вехам живые организмы проверяют свои собственные ритмы или внутренние колеблющиеся системы. Поэтому для многих обитателей суши и вод циферблатом служит огромное небо, а стрелками — солнечный луч. Пчелы способны видеть поляризованные лучи. Им только надо увидеть кусочек неба в щель или леток улья, чтобы определить, где находится на небе солнце и который час. Безошибочно чувствуют время козы, собаки, кошки и другие животные. Кому не известно, что собаки встречают точно в определенный час хозяина, возвращающегося с работы? Человеку почти не приходится пользоваться собственными биологическими часами. Но бывают ситуации, когда никаких часов, кроме биологических, у человека нет, а что-то нужно сделать в определенное время. Например, проснуться в заданный час, когда нет будильника и разбудить некому. И он просыпается вовремя. Растения определяют время не хуже животных. Одноклеточные водоросли, например, светятся только перед заходом солнца. А высшие растения в строго определенный час закрывают или открывают лепестки своих цветков. Начинается утро, и заработали цветочные часы.

Механизм биологических  часов невозможно рассмотреть ни в какой микроскоп, потому что «маятником» их может служить молекула белка. Такой маятник колеблется очень часто. Если бы удалось увеличить его через микроскоп до такой степени, чтобы молекула белка была видна, то, кроме ее расплывчатого контура, мы ничего бы не увидели. Молекула похожа на звучащую струну. В каждой клетке колеблется не один, а миллионы мельчайших маятников-молекул. Огромные белковые молекулы в живых клетках по своему строению напоминают сложные пружины, которые раскручиваются и скручиваются в определенном ритме. Каждая цепочка, из которой состоит белковая пружина, несет на себе электрические заряды. Достаточно растянуть пружины, как эти заряды начнут вращаться, создавая магнитное поле с определенным расположением полюсов. А отпустишь ее, она сожмется, заряды и полюсы магнитного поля вернутся в исходное положение. Таким образом, уже при сжатии и растяжении белковой молекулы возникает переменное магнитное поле. Значит, если бы около такой пружины был постоянный магнит, он способствовал бы ее ритмическим колебаниям. Но ведь такие магниты в живой клетке есть! Это атомы металлов, включенные в состав самой белковой молекулы, вернее, в особый центр. У них сильное постоянное магнитное поле. От них-то и отталкиваются белковые цепочки, совершая колебания.

Существует и другая точка зрения на молекулярный механизм биологических часов. Ее придерживается, например, Чарльз Эрет, окончивший Парижский университет, но долгое время работающий после этого в Аргониской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Эрет разработал концепцию «хронона», соответственно которой первичным маятником биологических часов служат ДНК, информационная РНК и связанные с ними реакции белкового синтеза. Последовательность реакций выполняет роль датчика ритмов в точном механизме отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры.

Нет пока еще единого  мнения среди ученых относительно механизма, управляющего ходом биологических часов. Большинство ученых считают, что ходом биологических часов управляют механизмы, заложенные в самих живых клетках, а вот по мнению американского профессора Ф. Брауна, наоборот, регуляторами биологического времени служат космическое излучение, магнитное поле Земли и само движение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны. Опыты свои он проводил в полной темноте на кусочках картофеля, и показал, что дыхание этих кусочков зависит и меняется главным образом от вышеперечисленных внешних факторов.[6] Однако вернемся к нашим внутренним часам, ведь мы разобрали только, как работает их «маятник».