Учение о критических периодах развития

Ботаник П. И. Броун еще в 1897 г. отмечал, что в эмбриональном и постэмбриональном развитии происходит смена периодов, во время которых организм стоек к различным внешним воздействиям на периоды, и когда он чувствителен в равной мере к действию разнообразных агентов. Эти периоды П.Броун предложил называть критическими.

Учение о критических периодах развития было создано в 1921 г. К. Стоккардом и в дальнейшем углублено и расширено П. Г. Светловым. Индивидуальное развитие, по воззрениям П. Г. Светлова, состоит из небольшого числа этапов, каждый из которых начинается критическим периодом, за которым следуют этапы видимой дифференциации и роста.

Критические периоды характеризуются наиболее высокой чувствительностью к воздействиям вредных факторов внешней среды. В ранних стадиях эмбрионального развития критические периоды относятся к развитию всего организма, позднее отрицательное влияние определенных факторов сказывается на формировании отдельных органов – тех, которые в данный момент претерпевают наиболее активные формообразовательные процессы. Внешние факторы, к которым организм (или отдельный орган) весьма чувствителен в определенные периоды, могут существенным образом влиять на его развитие. Различные воздействия в один и тот же период могут вызывать сходные отклонения. И наоборот, один и тот же фактор, действующий на разных этапах, вызывает различные изменения, т. е. тип аномалии в значительной степени зависит от стадии развития, во время которой на организм оказал действие тератогенный агент.
Биологический смысл повышения чувствительности к внешним воздействиям в критические периоды заключается в обеспечении восприятия зародышем и его частями сигналов, ответом на которые являются определенные процессы индивидуального развития.

Он различает три группы воздействий внешней среды:

1) повреждающие воздействия, приводящие к смерти или вызывающие патологические явления;

2) модифицирующие воздействия внешней среды, вызывающие отклонения от нормы, — эти отклонения не носят патологического характера («морфозы», мутации);

3) закономерное действие среды, обеспечивающее «норму развития». Эти воздействия (наличие кислорода, питание, температура и т. д.) представляют наибольший интерес для эмбриологии. По Светлову, в клетках имеются высокочувствительные рецепторы, «настроенные на восприятие строго определенных импульсов». Минимальные дозы каких-либо воздействий могут играть большую роль в формообразовании.

Некоторые исследователи предполагают, что периоды развития, характеризующиеся интенсивно идущими процессами дифференциации, являются высоко чувствительными к разнообразным внешним воздействиям. Опыты на эмбрионах позвоночных животных (лягушек, рыб, млекопитающих) действительно показывают, что на разных стадиях развития эмбрионы характеризуются различной стойкостью к тем или иным повреждающим воздействиям. Летальная доза рентгеновского излучения для эмбрионов кролика первых десяти дней беременности равна 100–150 Р, для эмбрионов 10–14 дней – 200 Р, для плодов 17–20 дней – 550 Р и для плодов 23–27 дней – 900 Р. В некоторые периоды развития зародыши стойки или чувствительны к ряду внешних факторов, причем реакция их на воздействие бывает однотипной (так же как реакция мускула или нерва глаза оказывается однотипной при действии многих раздражителей). Но таких критических периодов, во время которых зародыш одинаково чувствителен к действию всех внешних факторов среды, не существует.

Нарушение нормального развития организмов возможно на любых стадиях развития: интерфаза митоза, гаметогенез, оплодотворение, гисто- и органогенез, постэмбриональное развитие.

Существует целый ряд классификаций периодов развития, которые несколько отличаются друг от друга. Продолжительность отдельных стадий развития может отличаться как у животных разных видов, так и у отдельных особей. Таким образом, в онтогенезе поведения можно выделить два основных периода: пренатальный и постнатальный. Такое деление позволяет рассматривать общие закономерности развития высших позвоночных. Каждый из периодов делится в свою очередь на ряд более мелких периодов, которые своей продолжительностью могут значительно отличаться у представителей разных таксономических групп.

Критические периоды обнаружены у рыб на стадиях дробления, гаструляции и у эмбрионов со сформированными органами. Однако наличие чувствительных периодов не всегда связано с процессами дифференциации, например, началом дробления, периодом выхода эмбрионов рыб из оболочек. В дальнейшем вносится ряд уточнений: так, в критические периоды А.Н. Трифонова(1957) отмечала изменения диссимиляционного обмена, ослабление способности связывать прижизненные красители, уменьшение в цитоплазме количества РНК и количества сульфгидрильных групп, связанных с белком.

Эмбриогенез возможен только при определенном сочетании внутренних и внешних условий. П.Г. Светлов в 1960 г. отметил 2 критических периода в развитии плацентарных млекопитающих – периоды имплантации и плацентации. В дальнейшем число критических периодов было увеличено.

В процессе закладки каждого органа также есть особо чувствительные периоды, когда воздействие неблагоприятных факторов среды может вызвать аномалию (отклонение в развитии).

В критические периоды зародыш или плод становится высоко реактивным по отношению к действию внешних факторов. Аномалии развития возникают при этом потому, что регуляторная функция органов и систем плода в эти периоды ослаблена.

В онтогенезе человека к критическим периодам относят: оплодотворение, имплантацию (7 – 8-е сутки эмбриогенеза), развитие осевого комплекса зачатков органов и плацентацию (3 – 8-я неделя); развитие головного мозга (15 – 20-я неделя), формирование основных систем организма, в т.ч. половой (20 – 24-я неделя); рождение, период с рождения до 1 года, половое созревание (11 – 16 лет).

К наиболее распространенным факторам, вызывающим аномалии, относятся:

1 Перезревание женской половой клетки, нарушение обмена веществ у матери, гипоксия, содержание в крови матери токсических веществ, инфекция, особенно вирусная.

2 Длительное перегревание организма матери.

3 Рентгеновское облучение (клетки эмбриона особенно чувствительны к радиации).

Самый «чувствительный» период – проэмбриональный – процессы ово- и сперматогенеза.

Гибель эмбрионов в различные периоды онтогенеза неравномерна среди зародышей мужского и женского полов: чем ближе к началу беременности, тем больше среди погибших зародышей мужского пола. Это связано с тем, что в эмбриогенезе возникает больше зародышей мужского пола, чем женского. Так, соотношение количества эмбрионов мужского и женского полов в 1-й месяц беременности составляет 600:100, а на 5-ом месяце – 140:100. Если считать, что в среднем на 1000 беременностей погибает 300 плодов, то величина внутриутробной смертности представляется следующими показателями: в 1-й лунный месяц погибает 112 эмбрионов, во 2-й – 72, в 3-й – 43, а затем показатели снижаются до единичных. То есть, на первые два месяца беременности приходится около 2/3 всех случаев гибели эмбрионов.

Эмбрионы животных на ранних стадиях мало податливы к изменениям, но если происходит даже незначительное изменение каких-либо структур и функций на начальных этапах развития зародышей (например, небольшие изменения характера борозд дробления или изменение состава жидкости бластоцеля), то они могут повлиять на формирование тысяч признаков взрослых организмов.

В связи с развитием космических полетов особое значение приобрел фактор гравитации. Влияние силы тяжести на развитие зародышей оказалось неодинаковым для разных типов эмбриогенезов. Насильственное поворачивание, например, яйца амфибий анимальным полюсом вниз вызывает изменение в локализации серого серпа. Центрифугирование ранних зародышей амфибий может привести к нарушению дробления, гаструляции, а в некоторых случаях к образованию двойниковых уродств. Если имитировать состояние невесомости путем клиностатирования (равномерное и медленное вращение вокруг горизонтальной оси), то наблюдается широкий спектр нарушений, наблюдаемых, например, у амфибий, начиная со стадии ооплазматической сегрегации, а затем на стадии дробления и гаструляции. Аналогичные эффекты были получены на птицах и рыбах. Многие виды беспозвоночных оказались мало чувствительными к изменению силы тяжести в период эмбрионального развития.

Среди биотических факторов среды, влияющих на процессы эмбрионального развития, особое место занимают гормоны. Так, например, при избытке в крови матери кортикоидов происходят определенные изменения в гипоталамо-гипофизарной системе зародыша, что вызывает редукцию у него коры надпочечника. У больных диабетом самок рождаются детеныши, страдающие ожирением. Нарушения у матери тиреоидных функций вызывают у ребенка аномалии в развитии скелета.

Гормон, проникающий в кровяное русло плода через плаценту, может оказывать непосредственное действие на органы-мишени, но может осуществлять и воздействие, опосредованное через гипоталамо-гипофизарную систему эмбриона.

Внутренние нейрогуморальные регуляторные системы, контролирующие гаметогенез и эмбриогенез, существуют не только у позвоночных, но также и у беспозвоночных животных.

Таким образом, факторы внешней среды могут оказывать в зависимости от дозы различное влияние:

1 Ускорять или замедлять развитие (слабое температурное воздействие).

2 Вызывать аномалии развития (гормональные воздействия).

3 Оказывать повреждающие воздействия, в результате чего развитие останавливается на той или иной стадии онтогенеза (влияние ингибиторов синтеза нуклеиновых кислот или белков).

4 Вызывать морфозы и мутации, затрагивающие структуру гамет или генетический аппарат (ионизирующие воздействия).

Проблема чувствительных периодов в эмбриогенезе имеет большое практическое значение. Так, в частности, сведения о наиболее чувствительных периодах развития необходимы врачам при установлении дозировки лекарственных препаратов или химиотерапевтических воздействий, назначаемых пациентам, особенно беременным женщинам. Эти знания необходимы также при разработке мероприятий по борьбе с вредителями полей, с паразитами в других аналогичных ситуациях.

Учитывая иерархию живых систем, можно предполагать, что критические периоды свойственны не только организму, но и более крупным системам – популяциям, экосистемам, биосфере в целом. Для описания поведения популяций предложено понятие критических уровней – это моменты коренных качественных изменений. Критические уровни определяют диапазоны, в которых система имеет различную морфофункциональную структуру, принципы регулирования, а переход через уровень связан с соответствующими структурными и регуляторными изменениями. Между последовательными критическими уровнями система сохраняет свои качественные свойства: для нее характерна низкая чувствительность к внешним и внутренним изменениям условий развития.

Наличие критических уровней на популяционном уровне организации биологических систем наблюдается в виде стабильных амплитуд колебаний численности популяции – так называемые «волны жизни», по Четверикову (1905г). Промысловая эксплуатация популяции до уровня ниже определенной критической численности приводит к ее распаду.

Вопросы для самоконтроля:

1 Охарактеризуйте уровни организации живых систем.

2 Что является элементарной единицей и элементарным событием для каждого уровня?

3 Дайте определение критическим периодам в развитии живых систем

4 Запишите в рабочие тетради основные критические периоды развития позвоночных.

5 Какие факторы могут нарушить нормальное развитие организма? Каковы механизмы таких нарушений?