CC BY
81
Биология развития в реализации национального проекта «Развитие АПК»
Л.П. Тельцов, д.б.н. профессор, Л.П. Соловьева, д.бн, профессор, Т.А. Романова, к.б.н., Е.О. Михайлевская, аспирантка, А.Г. Красовская, аспирантка, И.Г. Музыка,
аспирант, А.И. Шадрина, аспирантка, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева; Костромская сельскохозяйственная академия
Вашему вниманию представлена статья о закономерностях индивидуального развития животных и человека и о возможностях целенап-равленого применения их в практической деятельности.
Этой проблеме уделяет большое внимание Российская академия наук РАН, о чем свидетельствует опубликованное постановление президиума РАН от 1 июля 2003 г.
Закономерности индивидуального развития человека и животных изучают многие науки: анатомия, гистология, цитология, эмбриология, физиология, генетика, иммунология, биохимия, терапия, общая биология и другие. Наиболее обстоятельно изучает эту проблему — биология развития. Биология развития животных и человека — одно из магистральных направлений современной биологической науки [1, 2]. Вобрав в себя концептуальные и методические достижения этих наук, биология развития все более активно участвует в решении многих фундаментальных проблем, в том числе, в исследовании функций генома на разных этапах развития онтогенеза [3].
Однако до сих пор неизвестно, как реализуется генетическая информация, содержащаяся в ядре оплодотворенной яйцеклетки, приводя к образованию множества типов клеток, тканей, органов и, в конечном итоге, целостного организма [4]. Для управления процессами развития человека и животных, по нашему мнению, в первую очередь, необходимы глубокие знания закономерностей морфофункционального развития специфических свойств организма, его систем и органов на каждом этапе и стадии. Многочисленные опыты в животноводстве и мировая практика показали, что многие задачи в животноводстве невозможно решить без углубленного изучения развития, биохимических и физиологических исследований животных на разных этапах развития, без научно обоснованной конкретной во времени периодизации и этапности не только организма, но и органов и тканей [5].
Ранее нами совместно с другими авторами предложена детальная, новая периодизация онтогенеза млекопитающих на основе синтетического подхода на новой методической основе:
1) в основу взято морфофункциональное развитие самого зародыша, плода и организма человека и животных после рождения, в том числе и смена питания и дыхания, как это сделано Г.А. Шмидтом, С.Н. Боголюбским и др. [5];
2) Новая периодизация разработана на основе изучения развития не только организма, но и его систем, органов и тканей; 3) на основе нового учения о смене генераций дефинитивных (окончательных) органов в постнатальном онтогенезе; 4) на основе теории различного строения и функции организма животных и человека на различных этапах жизни.
Предложенная новая концепция периодизации развития млекопитающих впервые методически позволяет установить не только границу между этапами развития, но и критические фазы развития. На основании многолетних исследований установлено, что периодизация развития человека и животных (млекопитающих) в онтогенезе имеет периоды, этапы, стадии и критические фазы.
Многочисленными исследователями [5—9], в том числе и нами, установлено, что индивидуальное развитие у млекопитающих протекает по трем периодам, которые включают девять этапов развития. Для управления процессами развития организмов необходимо, в первую очередь, знать сроки, специфичность, биохимические, физиологические и поведенческие (психологические) закономерности каждого этапа развития. На каждом этапе развития химический состав, морфологические и физиологические возможности тканей, органов и систем организма иные. Организм на каждом этапе развития проживает новую жизнь, как бы унаследованную в филогенезе. О связи филогенеза и онтогенеза гласит биогенетический закон Э. Геккеля и Ф. Мюллера. Организм в индивидуальном развитии повторяет (в сокращенном и закономерно измененном виде) эволюционное развитие своего вида [10]. Млекопитающие переживают девять этапов жизней (три в эмбриогенезе и шесть в постнатальном и в зрелом периодах). Остается жизнеспособным лишь тот организм, который переживает все этапы онтогенеза. Поэтому первый закон онтогенеза, установленный нами, гласит: онтогенез человека и животных включает три периода (эмбриональный, постнатальный, зрелости) и девять этапов жизни. Практикам-предпринимателям, частникам (подворья), специалистам-зоотехни-кам, ветеринарным и медицинским врачам советуем проводить различные профилактические мероприятия, осуществлять контроль за развити-
ем организма, его систем, органов и тканей с учетом специфичности жизни каждого этапа и тем более трех периодов.
Установлено, что генетическая информация, содержащаяся в ядре оплодотворенной яйцеклетки (в зиготе), реализуется в онтогенезе по установленным этапам. Из этого положения вытекает второй закон онтогенеза: наследственность человека и животных реализуется по этапам развития. На основе этого закона разработана концепция увеличения продуктивности у животных в 2—3 раза, и в частности, крупного рогатого скота. Однако реализация наследственности протекает на каждом этапе неодинаково. На ранних этапах онтогенеза осуществляется наиболее интенсивное формообразование структурнофункциональных систем организма. На единицу физического времени извлекается более обширная информация генотипа, чем на поздних этапах онтогенеза. В целом, каждый этап развития имеет определенные временные сроки. Но, как показали исследования и практика, некоторые этапы опережают во времени (вызывая акселерацию) или опаздывают (вызывая ретордацию). Однако организм в онтогенезе должен пройти все последовательные этапы развития, пусть даже в ускоренном виде, подчеркиваем — последовательные этапы. Нельзя исключить из онтогенеза ни один этап, ни одну стадию или фазу развития. Установлено, что эндогенность развития обусловливает реализацию наследственной программы (генотипа) на каждом этапе. Функции организма на каждом этапе развития специфичны как по закону внутреннего динамического равновесия (обмена веществ, энергии, информации и динамического качества), так и по закону корреляции Ж. Кювье. В организме, как в целой системе, все его части соответствуют друг другу как по строению (закон соподчиненности органов), так и по функциям (закон соподчинения функций). Изменение одной части организма или отдельных функций неизбежно ведет за собой к изменению других частей и функций [10]. Замедление роста и развития организма на одном этапе частично может компенсироваться ускорением на последующем. Нами установлен третий закон онтогенеза — компенсации (взаимодействия) смежных этапов. Взаимодействие этапов протекает по принципу акселерации или ретардации. Компенсация роста и развития возможна лишь на смежном последующем этапе. Компенсация прямо пропорциональна интенсивности воздействия в следующем этапе и обратно пропорциональна возрасту. Этот закон можно сформулировать иначе: чем организм моложе, тем эффективнее компенсация на смежном этапе. Компенсация эффективнее, чем меньше продолжительность воздействия неблагоприятных факторов на предыдущем этапе. О компенсации это-
го закона косвенно свидетельствует закон снижения энергетической эффективности природопользования. С ходом исторического времени при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше энергии (увеличиваются энергетические расходы на одного человека). По данным N. Ке1шег$ [10], расход энергии на одного человека (в ккал/сут.) в каменном веке был порядка 4 тыс., в аграрном обществе — 12 тыс., в индустриальную эпоху — 70 тыс., а в передовых развитых странах — 230—250 тыс., т.е. в 58—62 раза больше, чем у наших далеких предков. Можно предположить, что на ранних этапах развития млекопитающих требуется меньше энергетических затрат. Данных по этому вопросу наука пока не имеет. Известно, что индивидуальное развитие человека и животных подчинено общим биологическим закономерностям: 1) эндогенности (имманентности); 2) этапности (периодизации);
3) цикличности (биологическим ритмам); 4) непрерывности (перманентности); 5) асинхроннос-ти и гетерохронности; 6) адаптационной детерминированности (причинности); 7) провизорности (временности) [11]. Все эти закономерности развития свойственны и проявляются на каждом этапе. Проявление этих закономерностей на каждом этапе развития качественно и количественно иное. Поэтому к каждому этапу необходимо подходить как к новому этапу жизни. Управление развитием организма осуществляется по этапам жизни. Это необходимо знать педагогам, врачам, родителям, тренерам в своей работе.
Установлено, что критические фазы развития выявляются чаще всего на стыке двух этапов. Теория критических фаз (или критических периодов) впервые научно обоснована П.Г. Светловым [12, 13]. В критическую фазу развития включаются новые аллели, опероны или даже гены. Именно в критические фазы происходит модифицированная, мутационная и комбинированная изменчивость гена под влиянием внутренних факторов и внешней среды. Четвертый закон индивидуального развития звучит так: активация рабочих аллелей, оперонов, генов осуществляется в сроки критических фаз. Систематические воздействия внешней среды — радиационные, токсические и др. — приводят к стрессу, к отклонению от нормы, к нарушению обмена веществ, вызывая патологические изменения в организме, срывы иммунологического статуса и функций нейрогуморальных систем, а иногда и к изменению генетической структуры (к морфозам, мутациям, аномалиям) [12, 13]. При этом соблюдается закон направленности эволюции (Л. Онсаге-ра). Общий ход эволюции всегда направлен на приспособление к геохронологически меняющимся условиям существования и ограничен ими. Этот закон объясняет, почему наблюдается
закономерное изменение форм живого (направленность доминирует над случайностью, хотя изменчивость в ряде ситуаций случайна, например, при мутациях). В сутки у человека происходит сбой митоза клеток 19 раз, но организм, в целом, сохраняется [10]. Критические фазы у млекопитающих протекают в двух формах: эволюционной (постепенной) и в некробиотической (путем скрытого метаморфоза). Нами разработаны критерии выявления критических фаз развития для млекопитающих. Каждая критическая фаза несет свою специфическую возрастную морфофункциональную характеристику тканей, органов и систем организма. Однако все критические фазы развития организма имеют общие черты. Они подводят итог развитию, результативности прошедшего этапа и дают установку на новый этап. В критические фазы развития у животных и человека происходит: 1) смена одного этапа на другой; 2) установка генетической программы на будущий этап; 3) десинхронизация биологических ритмов роста и развития органов и систем; 4) повышение чувствительности тканей и органов к лекарственным веществам, а также к факторам внешней среды; 5) генетические мутации в клетках; 6) смена морфофункциональных генераций дефинитивных органов. Чем глубже перестройка, тем продолжительнее во времени критическая фаза. Поэтому пятый закон онтогенеза гласит: продолжительность критической фазы во времени зависит от глубины перестройки и различия в деятельности последующего этапа. Познание сроков критических фаз развития организма, его систем, органов необходимо для ученых-биологов, специалистов и практиков. Это ключ для исследования изменчивости, адаптационных возможностей организма и генетической детерминации. В критические фазы развития необходимо с большой осторожностью проводить любое вмешательство и создавать наиболее приоритетные биологические условия для жизни животных и человека.
Установлено, что каждому этапу развития характерны свои биологические ритмы, которые обеспечивают жизнедеятельность органов, систем и организма (гомеостаз) на данном этапе. Поэтому назрела острая необходимость изучения биологических ритмов различными методами на каждом этапе развития. Без знания специфичности биологических ритмов жизнедеятельности организма, систем, органов на каждом этапе невозможно целенаправленное вмешательство в онтогенезе. Закладка биологических ритмов жизнедеятельности организма происходит в эмбриогенезе и в критические фазы онтогенеза. Поэтому шестой закон онтогенеза таков: на каждом этапе развития организма и его систем, органов имеются свои, присущие только ему, биологические ритмы. Иллюстрациями и конкретными про-
явлениями этого закона служит закон согласования ритмики частей (подсистем), или закон синхронизации и гармонизации системных составляющих. В системе как самоорганизованном единстве индивидуальные характеристики подсистем согласованы между собой [10].
Развитие организмов протекает непрерывно и в научной литературе названо перманентным. Возникают естественные противоречия — развитие протекает прерывно (по этапам) и непрерывно (перманентно). Каждый этап развития заменяется новым. Причем не просто заменяется, а последующий этап отрицает предыдущий [6, 12, 13]. Однако мы не видим в жизни животных и человека резкой смены этапов. Этапы сменяются в онтогенезе эволюционно, а не революционно. Еще Ч. Дарвин указывал, что «природа не делает революционных скачков». Установленный седьмой закон онтогенеза гласит: непрерывность (перманентность) развития в онтогенезе обусловлена асинхронностью и гетерохроннос-тью развития составляющих его систем, органов, тканей, клеток. Системы организма, как и органы, ткани и клетки, развиваются не одновременно. Об этом свидетельствует и закон неравномерности развития систем, или закон изменения равномерности развития подсистем в больших системах (Д. Хаксли). Системы одного уровня иерархии (как правило, подсистемы системы более высокого уровня организации) обычно развиваются не строго синхронно: в то время как одни из них достигли более высокого уровня развития, другие еще остаются в менее развитом состоянии [10]. Такое нивелирование создает плавность развития. Например: первоначально еще в эмбриогенезе формируется сердечно-сосудистая система, затем выделительная, пищеварительная, после рождения — аппарат движения, половая и нервная системы [9]. Теория Б. Анохина о системогенезе легко укладывается в эту схему непрерывного развития. На каждом этапе развития какая-то система является ведущей, что необходимо знать исследователям, учителям, педагогам, ученым и другим специалистам. К сожалению, возрастные изменения структурнофункциональных систем на каждом этапе развития у животных еще недостаточно изучены.
Организм на каждом этапе развития находится временно, то есть в провизорности (временности). Как уже об этом говорилось ранее, каждый этап сменяется новым, поэтому последующий (будущий) этап выступает как разрушитель настоящего, который уходит в прошлое. Реально существуют в онтогенезе прошлые (прожитые) этапы, настоящий этап и будущие этапы, которые имеют определенную взаимосвязь. Смена происходит не только на уровне развития организмов, но и на уровне органов и их систем. Нами внесено в науку новое учение о смене морфофун-
кциональных генераций дефинитивных органов. Смысл этого учения заключается в том, что дефинитивные органы любой системы организма в онтогенезе сменяются (заменяются) 7 раз (в том числе 6 раз после рождения). Каждая морфофункциональная генерация органов отличается по химическому составу клеток, набору дифферонов и их функций, хотя система или орган может иметь похожую структурную форму (архитектонику). Установленный восьмой закон индивидуального развития гласит: провизорность развития организма на каждом этапе компенсируется сменой новой морфофункциональной генерацией органов и систем. Закон провизорности строения органов и систем организма на каждом этапе онтогенеза требует дальнейшего изучения. Косвенно о наличии его свидетельствует закон последовательности прохождения фаз развития. Фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно закрепленном (исторически, экологически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов (но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием). Этот закон — логическое следствие диалектической историчности природы: ничто не может индивидуально сначала умереть, а потом лишь родиться или пройти развитие от старости к молодости. Косвенно этого закона касается закон (правило) необратимости эволюции (Л. Долло). Организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже существующему в ряду его предков [10].
Многочисленными исследованиями ученых всего мира, в том числе и в наших работах, доказано, что организм на каждом этапе развития не реализует всех своих возможностей, запрограммированных в генотипе, а то, что он реализует, — только часть, которая называется фенотипом. Как добиться наибольшей реализации информации генотипа на каждом этапе развития, дает возможность понять наша генетическая концепция, которая предполагает увеличить продуктивные качества животных в 2—3 раза. Доместикация животных, целенаправленный отбор (селекция), генетическая инженерия позволили человечеству улучшить многие породы и увеличить продуктивность животных. Именно частичная реализация полезных качеств генотипа на разных этапах развития создает благоприятные
условия для целенаправленного вмешательства и в управление онтогенезом человека и животных. Эти сведения являются биологической основой при разработке рациональных приемов кормления, содержания и ухода за животными и повышения умственной и физической способности у человека (последнее крайне необходимо для спортивной медицины).
Применение созданных различными фирмами в последнее время пищевых добавок, стимуляторов и биопрепаратов легло на неподготовленную научно биологическую базу. Когда их применять, на каком этапе, в какие критические фазы? Эти вопросы остаются без ответа. Пока еще научно не обоснованы сроки введения препаратов, которые могут стимулировать рост и развитие, могут затормозить или вызывать гибель клеток, мутацию генов, ослабить или повысить естественный иммунитет. Поэтому закономерности индивидуального развития человека и животных необходимо изучать, обобщать всем указанным биологическим наукам. Считаем, что установленные законы, изложенные в краткой форме, помогут разработать теорию индивидуального развития, и они необходимы для практики управления вивогенезом. По нашему мнению, XXI век должен быть назван веком биологического прогресса, предиктивной медицины и ветеринарии.
Литература
1. Голиченков, В.А. Биология развития. М.: Изд-во МГУ, 1991. 144 с.
2. Гилберт, С. Биология развития. М.: Мир, 1993. Т. 1—3. 218 с.
3. Корочкин, Л.И. Введение в генетику развития. М.: Наука, 1999. 252 с.
4. Корочкин, Л.И. Биология индивидуального развития. М.: МГУ, 2002. 264 с.
5. Шмидт, Г.А. Типы эмбриогенеза и их приспособительное значение. М.: Наука, 1968. 231 с.
6. Богданов, Г.А. Кормление сельскохозяйственных животных: Колос, 1981. 421 с.
7. Забалуев, Г.И. Периоды индивидуального развития организмов животных // Адаптация и регуляция физиологических процессов животных в хозяйствах с промышленной технологией: сб. науч. тр. МВА. М., 1985. С. 60—67.
8. Забалуев, Г.И. Доминантный вид деятельности в эволюции онтогенеза млекопитающего // Вестник Рос. ун-та дружбы народов. М., 2001. С. 80—84.
9. Scott F., Gilbert F., 2000. Developmetal biology. — Sunderland, Massachusetts, Sinauer Associates Inc. Publishers.
10. Reimers N.F., 1990. Nature management Glossary. M.: «Mysl».
11. Дубинин, Н.П. Сопряженный дрей аллей / Н.П. Дубинин, А.М. Машуров // Докл. АН СССР. М., 1983. Т. 273 № 6. С. 1487-1490.
12. Светлов, П.Г. Некоторые закономерности в онтогенезе и их отношения к проблеме охраны антенатального периода жизни. // Вестник АМН СССР. 1966. Т. 6. С. 26-34.
13. Светлов, П.Г. Онтогенез как целенаправленный (телономический) процесс // Арх. анат., гист. и эмбр. 1972. Т. 63. № 8. С. 5-16.
