Хвостатые земноводные. Для всех и обо всем

Защитное поведение земноводных включает в себя как пассивно оборонительные реакции – затаивание, замирание, убегание от врагов, упрятывание в укрытиях, отбрасывание (автотомия) хвоста и др., так и активную защиту – криками, отталкиванием, угрожающими позами с использованием ядовитых выделений и прочее.

Для оборонительного поведения амфибиям предоставлены морфологические и физиологические особенности их организма. К морфологическим особенностям относятся все типы покровительственной или отпугивающей окраски и формы тела животных, а также органы пассивной и активной защиты от врагов: мозоли на лапах для зарывания амфибий в землю, ядовитые кожные железы.

К физиологическим особенностям организма земноводных относятся выработка и выделение кожей ядовитых веществ; процессы, сопровождающие изменение цвета кожи для создания маскирующего или отпугивающего эффекта; сложнейший механизм регенерации отброшенного хвоста и многие другие, что подробно описано в разделе «Универсальная система кожного покрова земноводных».

Без морфологических и физиологических защитных особенностей защитное поведение амфибий было бы малоэффективным.

Затаивание и убегание

При виде двигающегося пугающего объекта бесхвостые амфибии затаиваются. Жабы и наземные лягушки при этом зачастую пригибают голову к земле. А вот квакши обычно отдыхают на нижней стороне листьев, спасаясь одновременно от прямых солнечных лучей и от врагов. Благодаря своим присоскам они прекрасно лазают по веткам и листьям даже в положении вниз головой. Когда им грозит опасность, квакши замирают, притворяясь мертвыми, или поспешно удирают длинными прыжками. Сухопутные хвостатые амфибии, например некоторые саламандры, в случае опасности тоже способны притворяться мертвыми. В такой позе они могут оставаться более 20 минут.

Нужно ли земноводным знать психологию хищников, чтобы использовать тот или иной прием в зависимости от опасности ситуации? Например, тот же протей не всегда замирает. Если хищник крупный, - он немедленно удирает. При этом проявляет и завидную резвость, и отличную ориентацию в своем хозяйстве. Протей, как и все животные, делает это, повинуясь «мудрому» инстинкту, благодаря врожденным знаниям, наследственным способностям и частично приобретенным навыкам. Каждому живому организму даны именно свои методы защиты от врагов для сохранения жизни и продолжения рода.

Бегство у амфибий бывает вызвано только при значительном приближении пугающего объекта или при его значительном размере. А если это небольшое, но несъедобное или жалящее насекомое, то у земноводных могут включаться реакции отпрыгивания или отворачивания, закапывания, наклона головы, прижимания ног плотно к телу и другие. В период размножения лягушки многих видов весьма осторожны. Они ныряют, заметив фигуру человека на большом расстоянии. В реакциях бегства наземных лягушек иногда проявляется знание местности (память). Представители некоторых видов могут двигаться по сложному маршруту и в конце скрываться в своем убежище.

У древесных квакш, в случае опасности, преобладает реакция затаивания, но если пугающий объект появляется слишком быстро, они совершают бег прыжками. При этом квакши никогда не прыгают наугад – прыжок всегда четко нацелен на конкретную ветку.

Отбрасывание хвоста и регенерация

Хвост у наделенных им земноводных – очень важная часть тела. Некоторые хвостатые земноводные могут повиснуть на хвосте, опереться на него при подъеме на высоту, использовать как толчковую пятую лапу при прыжке. Некоторые саламандры способны с успехом использовать отвлекающий маневр хвостом. В случае опасности они могут, как и ящерицы, отбрасывать хвост и, пожертвовав малым, спасают свою жизнь. Ведь после отбрасывания хвост продолжает шевелиться, отвлекая внимание хищника от убегающего животного. Но порой саламандра оставляет в зубах преследователя совсем не безобидный «подарок», а хвост с ядовитыми железами. И хищник, схвативший такой хвост, хорошо запомнит полученный урок, так что впредь охотиться на саламандр не рискнет.

Интересно, что среди безлегочных саламандр хвост чаще теряют самки, чем самцы. Как считают натуралисты, во время размножения они охраняют кладку икры и в этот период менее склонны убегать при любой опасности, как это делают самцы. Самки способны отогнать от своей кладки крупных жуков или саламандр сходного с ними размера. Но они не в состоянии справиться со змеями и крупными саламандрами, потому остаются без хвоста.

Способность животных в случае опасности самопроизвольно отбрасывать свои части тела называется автотомией (аутотомией). Обычно она сопровождается процессами регенерации – восстановлением утраченной части тела. У земноводных это происходит так же, как и у пресмыкающихся. Например, экспериментально установлено, что тритон обладает способностью восстанавливать не только утраченный хвост, но и ноги, у него может восстановиться глаз, если только он не удален целиком, а также другие жизненно важные органы. В лаборатории хвостатые земноводные продемонстрировали просто невероятную способность к регенерации. Удаляемый неоднократно хвост заменялся новым. Он получал новые позвонки и вырастал до той же длины, что и предыдущие. Многократно восстанавливались ноги и даже челюсти. Исследователи заставили своих тритонов воссоздать заново 687 костей, причем всего за три месяца.

Удивительную способность к регенерации проявляют зародыши земноводных. В условиях эксперимента были взяты зародыши лесной и болотной лягушки и их половинки приживили. После срастания получился сборный головастик, который вырос в сборную лягушку – наполовину лесную, а наполовину болотную.

Предупреждающее поведение и использование ядов

Большинство тритонов и саламандр активно только в сумеречно–ночное время. Это значительно уменьшает риск подвергнуться нападению хищников. Однако если нападения трудно избежать, представители многих видов земноводных способны использовать различные способы активной защиты.

У многих видов земноводных приближение опасного объекта вызывает предупреждающее или защитное поведение. Одни начинают энергично надуваться, приподнимаются на лапах и, широко открыв рот, издают различные звуки. Другие, особенно крупные тропические лягушки, кусают врага, третьи – поворачиваются к опасным объектам и принимают атакующую устрашающую позу и т.д.

У чесночниц, жаб многих видов в основном инстинктивное поведение при угрозе выражается в раздувании тела за счет заглатывания воздуха, приподнимании на четырех лапах, чтобы «казаться» больше, и угрожающем покачивании взад-вперед. Раздувание тела служит препятствием для проглатывания этих животных хищником. Когда в террариум с группой жаб поселяли ужа, питающегося ими, то все жабы раздувались и сидели, повернувшись головами к змее.

Интересным устройством и поведением отличается четырехглазая лягушка. На ее спине заметны два пятна в виде глаз. Во время приближения опасного объекта лягушка раздувается и приподнимает заднюю часть спины, показывая эти ложные глаза. Кроме того, лягушка из желез выделяет неприятное для врага вещество. Все основные ее способности, конечно же, не желание амфибии, как считают, «ловко сбить хищника с толку. Возможность вырабатывать необходимые пигменты, «разрисовывать» ложные глаза, создавать и применять «химическое оружие» и вообще весь целесообразный поведенческий комплекс, организующий реакцию отпугивания, – все это получено четырехглазой лягушкой по наследству от предков и будет бережно и в неизменном виде передано потомкам.

Яды в основном вырабатываются железами на голове и хвосте земноводных, зачастую обеспеченных предупреждающей яркой окраской. Они в основном лишены инстинкта бегства и при реакции на мышей, змей или землероек принимают позу, при которой их тело обращено к хищнику местами наибольшего скопления ядовитых желез. А представители саламандр одного из видов специально прогибаются кольцом, чтобы показать хищнику свою яркую предупреждающую окраску на животе.

Как считают зоологи, эта мера нужна ядовитым земноводным, «чтобы испугать хищника». Но эффективность такого поведения амфибий зависит от способности хищника понять связь между окраской животного и возможными последствиями своего нападения на него. Слово «понять» слишком много значит и не может быть применено к поведенческим проявлениям хищников. Ведь них изначально заложен врожденный инстинкт избегать употребления в пищу ярко окрашенной добычи. Хотя, несомненно, важную дополнительную информацию к уже существующим наследственным знаниям, может нести индивидуальный опыт.

Кто в детстве не слушал с замиранием сердца сказку о Змее Горыныче, который отращивал отрубленные головы. Не меньшее изумление вызывала его способность извергать из них пламя. Став взрослыми, мы переставали верить а чудеса. Однако такие животные в природе действительно существуют. Они, конечно, не дышат огнем, но по способности восстанавливать утраченные части тела не имеют себе равных среди наземных позвоночных.

Природа наделила тритонов такими способностями, что у людей, далеких от герпетологии, возникает закономерный вопрос: «Возможно ли вообще такое?».

Известно, что если схватить ящерицу за хвост, она может его отбросить. Через некоторое время на месте утраченного участка вырастет новый. Такая способность называется регенерацией.

Многие хвостатые земноводные регенерируют не только хвост, но и другие части тела. Например - ноги. Если у тритона ампутировать конечность, то на ее месте через некоторое время вырастет новая, которая почти не будет отличаться от утраченной.

Исследователей, естественно, заинтересовали такие уникальные качества этих животных. От чего зависит регенерация? Почему другие позвоночные не могут отращивать утраченные органы? Нельзя ли добиться, чтобы у людей появилась такая же способность к регенерации?Чтобы получить ответ на эти и другие вопросы, в первую очередь попытались выяснить, какие системы в организме отвечают за регенерацию.

У позвоночных работой практически всех органов (пищеварения, кровеносной системы, мускулатуры и пр.) управляет нервная система. Может быть, и у тритонов она отвечает за регенерацию? Опыты показали, что нервная система действительно имеет отношение к восстановлению утраченных органов. Например, если у тритона удаляли нервы, которые подходили к ноге, а затем эту ногу ампутировали, то после операции она не отрастала. Если же к ампутированному участку подводили нервы из других частей тела, то нога восстанавливалась.

Вскоре стали известны новые факты: конечности хвостатых амфибий, образовавшиеся у зародышей, лишенных нервной системы и, следовательно, никогда не имевших иннервации, способны регенерировать после ампутации.

Ученые решили выяснить, как происходит восстановление утраченной конечности, точнее, за счет каких тканей и клеток. Вначале предположили, что ткани оставшегося (неампутированного) участка продуцируют себе подобные клетки. Но когда сравнили клетки раневой поверхности и клетки неампутированного участка, то оказалось, что они совсем не похожи друг на друга. Возник новый вопрос. Если эти новые клетки резко отличаются от старых, то откуда они появляются? Решить эту проблему позволили современные методы исследований.

Было обнаружено, что рентгеновские лучи тормозят регенерацию. Когда животному облучали голень, а затем ее ампутировали, то нога не отрастала. Если же линия ампутации проходила по бедру, которое не облучалось, регенерация проходила без всяких отклонений. Этот факт ученые считают доказательством того, что новые клетки регенерируемого органа образуются из клеток оставшегося, неампутированного участка.Позже были найдены вещества, воздействие которых способствовало восстановлению утраченных конечностей: растворы поваренной соли, глюкоза, некоторые кислоты, двууглекислая сода.

Казалось бы, на запутанных дорогах эволюции млекопитающие, в том числе и люди, утратили способность к регенерации. Действительно, у человека ампутированный палец, нога или рука не отрастают. Но известно, что эритроциты крови замещаются через каждые четыре месяца. Так, может, все-таки возможно восстановление утраченных тканей и у человека, ведь кровь - это тоже ткань, только жидкая.

И вот в 50-х годах советские ученые первыми начали опыты по регенерации у млекопитающих. Несколько позже подобные исследования проводились и за рубежом. Эксперименты показали, что восстановление ампутированных конечностей возможно, но пока только у новорожденных (опыты проводились на крысах и южноамериканских опоссумах). В 1972 г. американский исследователь Р. Беккер добился регенерации конечностей у 21-дневных крыс, используя как стимулятор слабый электрический ток. Ученым сейчас удается восстановить у подопытных животных кости черепа и, что особенно важно, мышцы сердца.

Решение проблемы регенерации могло бы приблизить избавление человечества от такого распространенного недуга, как сердечно-сосудистые заболевания. Инфаркты миокарда, миокардиты и другие болезни, сердца - одна из основных причин смертности во всех промышленно развитых странах.

Решая вопросы охраны таких животных, как тритоны и саламандры, необходимо помнить, что любой вид уникален. Кроме того, многие животные, в том числе и те, о которых шла речь, являются объектами научных исследований. И кто знает, какие еще сюрпризы преподнесут эти безвестные труженики науки.

Недавно американские асколотли, родственники наших тритонов и саламандр «доказали» ученым, что можно восстанавливать головной мозг. После удаления переднего мозга им вводили измельченные кусочки мозга эмбрионов других животных. При этом не только стимулировалась регенерация мозга, но и значительно увеличивалось количество нервных клеток.

Е. М. Писанец
Источники фото: herp.it, wikipedia.org

Амфибии в общем - еще слабо защищенные существа. Число защитных приспособлений у них весьма невелико, и их организация еще слишком несовершенна, чтобы широко использоваться в целях защиты и самообороны.
Наиболее важным способом защиты являются выделяемые кожей ядовитые вещества. Выше, в главе о морфологии кожи, было указано, что последняя у амфибий чрезвычайно богата железами, что железы эти многоклеточные, притом двоякого рода: слизистые и белковые. Выделенное ими вещество имеет кислую реакцию и сильный запах. Действие па организм секрета обоих видов желез различно. Выделение слизистых желез действует как наркотик, яд спинных желез вызывает судороги. Если в один мешок посадить жерлянок (Bombina) и амфибий другого вида, то последние могут погибнуть. Особям того же самого вида яд амфибий невреден; будучи впрыснут в кровь, яд действует даже па то же самое животное. Яд саламандры, жабы, даже тритонов, впрыснутый в кровь, убивает млекопитающих, птиц, рептилий и рыб, если доза соответствует размерам животного. Мелкие птицы и ящерицы, как правило, гибнут в несколько минут, более крупные животные - морские свинки, кролики и собаки - в срок менее, чем час. Яд амфибий листолаза (Phyllobates) и древолаза (Dendrobates) употребляется туземцами в Южной Америке для намазывания наконечников их стрел, в особенности при охоте на обезьян. Действует описываемый яд yа сердце и центральную нервную систему подобно яду наперстянки - дигиталипу, отчасти подобно кураре. Яд амфибий весьма надежно предохраняет их от многих покушений: хищные животные или вовсе не трогают амфибий или берут их весьма неохотно, так как яд их при попадании на слизистые оболочки вызывает сильное жжение и рвоту.
Другая защитная функция заключается в способности раздувать легкие, благодаря чему раздувается все тело, которое становится более крупным и гладким, так что лягушку трудно бывает взять. Защитными являются и некоторые реакции поведения, например, так называемый «рефлекс бомбины», наблюдающийся у некоторых лягушек: заворачивание головы и яркоокрашенных конечностей на спину, как у рода Bombina. Принято думать, что такого рода движение отвращает нападение змей и птиц.
И у хвостатых и у бесхвостых наблюдается при приближений опасности своего рода оцепенение, род каталепсии, «мнимая смерть», обычно продолжающаяся несколько минут. Вряд ли, однако, эта реакция имеет защитное значение, так как возникает она при непосредственном прикосповении, когда бывает уже поздно. Некоторые саламандры, наоборот, принимают «предостерегающее» положение или «положение угрозы», помахивая хвостом, выделяющим обильный секрет. Большинство амфибий в случае опасности стремится уйти от последней и скрыться в какое-либо убежище. Движения убегания у амфибий еще весьма несовершенны.
Некоторые более крупные и сильные амфибии в опасности ведут себя агрессивно: издают скрипящий звук, раскрывают рот, кусаются, как Ceratophrys, Cryptobranchus.
Уже у наземных саламандр наблюдайся, более развитая у рептилий, способность путем автотомии отламывать хвост, за который животное схвачено. Механизм здесь несколько иной, нежели у ящериц: разлом происходит не посредине позвонка, а между позвонками. Как и у ящериц, мускулатура разрывается несколько ближе к туловищу, нежели кожа, закрывающая таким образом рану.
К защитным особенностям организма амфибий следует отнести и их способность к регенерации.
Большинство амфибий обладает способностью восстанавливать утраченные или поврежденные конечности. Чем моложе животное, тем легче происходит у него регенерация. Точно так же, как хвост, регенерируют и наружные жабры. Личинки саламандры нередко объедают последние друг у друга. И они восстанавливаются.
У хвостатых амфибий хвост и конечности регенерируют даже во взрослом состоянии.
Если у взрослого аксолотля отрезать кисть, то через четыре недели получается конический выступ, регенерационная почка. Через шесть недель выступ становится двойным; через одиннадцать недель уже различимы три или четыре пальца, а через двенадцать недель после операции регенерирует и вся кисть. Иногда вместо четырех пальцев восстанавливается пять. Восстанавливается и целая конечность, если отрезать ее посреди плечевой кости. Восстановление идет из соединительной ткани. У взрослого тритона (Triturus cristatus) восстанавливаются отрезанные пальцы в течение пяти или шести недель. Кость и хрящ восстанавливаются позднее. У Proteus утраченная нога целиком восстанавливается в течение восемнадцати месяцев. У Plethodontidac восстанавливается утраченный хвост. Личинка Necturus, если ей отрезать голову, не погибает. Рана заживает, животное растет и дифференцируется в течение 2 месяцев.
Бесхвостые амфибии также способны к регенерации конечностей, по в значительно меньшей степени, она происходит только у молодых головастиков. Регенерация идет тем быстрее и легче, чем моложе особь. Если у головастика травяной лягушки (Rana temporaria), у которого передние конечности еще скрыты под кожей, отрезать заднюю конечность посреди бедра, то через девятнадцать дней восстанавливается колено с выступом из двух пальцев. В конце концов, восстанавливается и вся конечность. Хвост головастиков восстанавливается легко и свободно даже в том случае, если он бывает отрезан незадолго до конца метаморфоза. Ho после последнего бесхвостые амфибии почти всецело утрачивают способность к регенерации, она сохраняется лишь в очень слабой степени. Способность к регенерации ослабляется и при переходе на высшую филогенетическую ступень.
Весьма интересно, что регенерация, если не всегда, то в некоторых случаях, связана с развитием и функцией нервной системы. Ампутированная конечность взрослого тритона регенерирует лишь при том условии, если при ампутации останутся неповрежденными волокна симпатической нервной системы. Способность амфибий к регенерации делает их одним из излюбленных объектов при изучении этого высоко интересного явления.
Способность к регенерации делает земноводных в высшей степени живучими. Многие поранения, от которых всякое другое животное погибло бы, безнаказанно переносятся амфибиями благодаря регенерации. Иногда из убитой змеи выползают совершенно живые жабы с частью переваренными уже задними ногами и живут.
Способность к регенерации - несомненно высокоадаптивный признак. Ho это не специфическое защитное средство, выработанное отбором. Это общая способность мало дифференцированных тканей, убывающая в филогенезе и онтогенезе. Регенерировать могут и такие органы и части, которые обычно не подвергаются повреждениям, например, легкие у лягушек. На способность регенерации значительно влияет функция, усиливая процесс.

Профессор, доктор биологических наук Л. Полежаев (Институт биологии развития АН СССР)

Регенерация конечности метаморфозирующей лягушки (слева). Справа - контроль, после обычной ампутации идет гладкое заживление.

Регенерация обеих передних конечностей у взрослой лягушки после экспериментального воздействия.

Опыт по восстановлению конечности у новорожденного опоссума.

Регенерация ткани зуба у собаки через 100 дней после операции. На фотографии показан продольный срез зуба; перпендикулярно к зубному каналу, слева - область дефекта с восстанавливающейся тканью.

Регенерация папиллярной мышцы сердца у собаки, оперированной по методу Н. П. Синицына.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Как восстановить поврежденный орган или ткань, как вернуть им утраченную функцию? Хотя проблема эта чисто медицинская, основа ее биологическая. В настоящее время есть три пути ее решения: протезирование, пересадка (трансплантация) и регенерация.

Протезы, заменяющие утраченные руки, ноги, зубы, применяются уже давно и очень помогают людям. Но протез - все же не настоящий орган и функция его неполноценна.

Трансплантация, в наше время широко применяемая в хирургии, особенно больших успехов достигла в пересадке костей. В последние годы стали известны операции по пересадке почки и даже сердца у человека. И тем не менее, несмотря на значительные успехи, проблема трансплантации далеко не разрешена. Науке предстоит преодолеть на этом пути еще немалые трудности, главная из которых - биологическая (иммунологиче-ская) несовместимость тканей донора и нового «хозяина» - реципиента. В большинстве случаев пересаженный орган спустя некоторое время, иногда через один-два-три года после пересадки отторгается. Таким образом, цель остается не достигнутой.

Третий путь - регенерация, полное восстановление у граченных или поврежденных органов и тканен. Этот путь - в значительной степени путь будущего, но путь перспективный. Рассмотрим его детальнее.

Есть три основные формы восстановления поврежденной ткани: рубцевание, гипертрофия и регенерация. Заживают, рубцуются раны, образуется рубец или шрам, но поврежденные специфические ткани не восстанавливаются. При гипертрофии ткань, оставшаяся после частичного удаления органа, например, почки или печени, разрастается, приближаясь по величине к исходной, но прежняя форма, а главное, внутренняя структура органа не восстанавливается. Такое восстановление (более или менее полное, типичное или не совсем типичное) может дать лишь регенерация. Именно поэтому этот путь более всего и привлекает исследователей, занимающихся проблемой восстановления утраченных в результате болезни или травмы органов тела человека.

Сама мысль вырастить, например, новую руку, ногу или даже палец на месте ампутированных кажется фантастической. Но исследования последних лет и некоторые удачные опыты позволяют надеяться, что она в принципе осуществима и, может быть, не в столь уж отдалённом будущем.

Со времен Чарлза Дарвина известны основные правила регенерации: способность к регенерации понижается по мере усложнения организации животного, снижается она и с возрастом. У низших животных - гидр, плоских ресничных червей (планарий), дождевых червей - из отдельных кусочков тела восстанавливается целое животное. У низших позвоночных - тритонов, аксолотлей, саламандр - регенерируют уже только отдельные органы (конечности, хвосты, жабры, челюсти, нос). У млекопитающих и человека не восстанавливаются даже отдельные участки органов - части пальцев, уха, носа и др.

Но если природа не предусмотрела у высших организмов эту способность, то, может быть, ее можно вызвать искусственно?

Работа по этой интересной теоретически и практически чрезвычайно важной проблеме началась давно, причем в основном в Советском Союзе (хотя сейчас над ней работают многие ученые и за рубежом) и в настоящее время вылилась в особое направление - в учение о регенерации.

Как уже было сказано, у хвостатых земноводных утраченные конечности и другие органы после ампутации восстанавливаются. У пресмыкающихся (у ящерицы вновь отрастает только хвост), у птиц и млекопитающих регенерация органов не происходит. Но есть особая, промежуточная группа животных - бесхвостые амфибии (это лягушки, жабы, жерлянки), у которых конечности хорошо регенерируют в «молодости», то есть на ранних стадиях их развития, позднее они эту способность утрачивают.

В чем же состоит суть дела? Оказывается, у животных, от природы способных к регенерации конечностей (тритонов, аксолотлей, головастиков ранних стадий развития), оставшиеся после ампутации основные ткани органа или культи, то есть мышцы, хрящ, кость, соединительная ткань не рубцуются, не заживают обыкновенным образом, а начинают видоизменяться: они саморазрушаются и дедифференцируются. Иначе говоря, организация этих тканей упрощается, их клетки уподобляются молодым, эмбриональным, утратившим свою специфическую принадлежность к определенной ткани, но зато обладающим высокой способностью к клеточному размножению. В результате такого превращения клеток и их «омоложения» на поверхности раны начинает расти и развиваться ткань, образуется зачаток, который, развивается затем в конечность У прочих же позвоночных этого не происходит: ткани культи не разрушаются и не теряют дифференцировки, на раневой поверхности просто возникает рубец, и она гладко заживает.

Вот эти наблюдения и натолкнули ученых на мысль попробовать искусственно разрушить ткани культи животного, не обладающего способностью к регенерации, искусственно заставить ее клетки упроститься, потерять свою специфику Может быть, тогда начнется регенерация?

Первые опыты такого рода были поставлены в нашей Лаборатории экспериментальной морфологии животных Института биологии развития АН СССР сначала на головастиках поздних стадий развития, на взрослых лягушках и, наконец, на новорожденных крысятах (за рубежом эти опыты идут также и на опоссумах). В опыте культю ампутированной конечности механически травмировали или подвергали специальному химическому воздействию, в результате чего клетки этой ткани теряли свою специфику, свою дифференцировку (впоследствии были найдены и другие способы создавать в организме животного способность к регенерации), и начиналось биологическое восстановление утраченной конечности. Подобные эксперименты проводились во многих лабораториях в нашей стране и за рубежом, и достоверность их не вызывает сомнений.

Установив закономерность воссоздания регенерационной способности конечностей у позвоночных, можно было перейти к работе над получением регенерации других органов и тканей у млекопитающих.

Известно, что длинные трубчатые кости в руках, ногах, пальцах после перелома хорошо восстанавливаются. Регенерация кости в данном случае происходит за счет надкостницы и идет путем так называемого эпиморфоза - ткань отрастает от краев области костного дефекта. А вот удаленный кусок черепной кости никогда не восстанавливается, даже если на месте остаются надкостница и вторая надкостница - твердая мозговая оболочка, и мозг остается незащищенным. Здесь обычно не помогает и трансплантация: пересаженная кость быстро рассасывается. Поэтому хирурги, как правило, закрывают отверстие в черепе неживыми материалами: танталом, органическим стеклом и другими. Однако это небезразлично для соседних с ними живых тканей.

Нашей лабораторией были предложены четыре новых биологических метода, которые позволили добиться полной регенерации черепной кости. Наиболее простой и эффективный из них - метод деструкции. Уже говорилось: чтобы вызвать регенерацию ткани, которая в обычных условиях не регенерирует, ее необходимо сильно разрушить. Так и в данном случае кусок костной ткани, размельченный до состояния опилок и смоченныи кровью реципиента, накладывается на твердую мозговую оболочку. После этого рану зашивают. Опилки быстро, в течение семи дней, полностью растворяются. Из них выделяются костеобразующие вещества, которые действуют на соседние клетки соединительной ткани, побуждая ее к превращению в типичную кость черепа, или, иначе говоря, индуцируют в ней костеобразование.

Регенерация здесь идет не обычным путем, когда кость отрастает от краев костного дефекта, или от надкостницы, или твердой мозговой обохочки, а путем индукции. Костные опилки являются индуктором, клетки молодой соединительной ткани - реагирующим материалом, а процесс регенерации кости идет по типу эмбриональной индукции, при которой зачаток одного развивающегося органа индуцирует образование другого. Без индуктора - костных опилок - молодая соединительная ткань превращается в рубец, под влиянием индуктора - в кость, заполняющую отверстие в черепе.

Подобный метод вызывает - пока еще в опытах на собаках - регенерацию разрушенных тканей зуба.

Эксперименты показали, что костные опилки можно помчать не только из черепных, но и из трубчатых, реберных и других костей. Мало того, эти опилки можно получать из кости другого животного и не только такого же вида (от одной собаки к другой), но даже от животного другого вида (например, кости кролика или коровы годятся для пересадки собаке).

Индуцируют регенерацию кости как свежеприготовленные костные опилки, так и консервированные, например, быстро замороженные при очень низкой температуре (минус 78° по Цельсию). Несколько слабее «работают» лиофилизированные опилки, то есть замороженные и высушенные под вакуумом.

Успешные эксперименты на собаках позволили перейти к операциям, с помощью которых удалось помочь людям. Сейчас уже прослежены отдаленные результаты операций, длительность некоторых наблюдений достигает 7-8 лет.

Цель дальнейших наших исследований - вызвать регенерацию мышечных волокон в поврежденной мышце сердца у млекопитающих.

И биологи, и врачи знают, что различного рода травмы мышцы сердца, залечиваясь, обязательно дают рубцы, не обладающие способностью к сокращению. Кроме того, в местах повреждения сердца, особенно при инфарктах миокарда, образуются очаги мертвой некротизированной ткани, которая неблагоприятно действует на сердце и его работу. Следовательно, чем быстрее рассосется некротизированная ткань и заживет очаг повреждения миокарда, тем это лучше для здоровья человека.

В нашей лаборатории, а затем и в ряде других лабораторий было показано, что при определенных условиях можно получить регенерацию мышечных волокон сердца у крыс, кроликов и собак. При восстановлении миокарда нормализуется электрокардиограмма и ряд физиологических и биохимических показателей.

Однако проблема эта остается все еще не решенной. В тех случаях, когда сердечная мышца восстанавливается в довольно большом объеме, эффект оказывается временным: через два месяца новообразованная ткань распадается. Если и удается добиться длительного сохранения мышечных волокон, то лишь в том случае, когда объем восстановленного участка весьма невелик.

Многое в проблеме по регенерации миокарда остается неясным, поэтому возбуждает споры и требует дальнейших исследований и проверки. Но работа в этой области продолжается, и есть уже опыты, когда удается получить длительное восстановление участков сердечных мышц, даже папиллярных или сосочковых.

В ходе этих исследовании было проведено специальное изыскание веществ, стимулирующих регенерацию миокарда, и средств, тормозящих и стимулирующих развитие рубца. При этом выявились весьма интересные и важные данные. Оказалось, например, что, применяя эти средства - каждое отдельно или в определенном сочетании,- удается увеличить время сохранения регенерированных сердечных мышечных волокон и их объем. Эти же средства ускоряют рассасывание некротизированной ткани и заживление мест повреждения, иначе говоря, значительно быстрее ликвидируют последствия инфарктов миокарда и некоторых других заболеваний мышцы сердца (в течение ряда лет такие исследования мы проводили в содружестве с другими институтами). Бесспорно, дальнейшая работа в этом направлении может иметь серьезное значение для лечения инфарктов миокарда, для быстрейшего восстановления работоспособности сердца.

Наконец, нельзя не упомянуть еще об одном направлении исследовании До сих пор многие медики и биологи убеждены в том, что нервные клетки не только у человека, но и у любых животных ни при каких условиях не могут восстанавливаться. А это значит что любая травма спинного или головного мозга обязательно влечет за собой неизлечимые, как правило, нарушения в деятельности организма - это может быть частичная или полная потеря способности двигаться, потеря речи, изменения в психике человека и т. д. Однако за последние годы наука обогатилась принципиально новыми данными на этот счёт.

Оказалось, что удаленные в эксперименте большие участки головного мозга рыб, тритонов, аксолотлей, личинок лягушек при наличии определенных условий полностью восстанавливаются. Удалось добиться (это сделали и американские и советские исследователи) и регенерации нервных проводников поврежденного спинного мозга у крыс, кошек собак. Позже удалось получить известный положительный результат при восстановлении поврежденного спинного мозга у людей. Это открывает новый путь для лечения параличей, вызванных травмой спинного мозга.

Однако надо сразу же оговориться, что эти методы пока еще недостаточно разработаны, их применение встречается с большими трудностями. Нужны еще многочисленные опыты на животных, прежде чем метод можно будет считать отработанным.

В нашей лаборатории поставлены опыты, которые показывают возможность стимулировать деление нервных клеток в головном мозге взрослых крыс, что сопровождается изменениями в работе высшей нервной деятельности, Делаются попытки вызвать подобного рода изменения в условиях патологии - при гипоксии. Гипоксия - это недостаточность кислорода в тканях. Нервные клетки очень чувствительны к недостатку кислорода и при значительной или длительной гипоксии погибают. Наши опыты показали, что при определенных условиях опыта даже в условиях гипоксии можно стимулировать восстановительные процессы в нервной ткани мозга у крыс. Пока применяемые нами методы еще очень несовершенны. Однако мы полагаем, эти первые данные могут послужить началом для новых и весьма важных исследований в биологии и медицине.

Конечно, сегодня можно пока говорить лишь об определенном направлении исследований в области регенерации, о перспективах. Реальной возможности и выращивать у человека ампутированные руки, ноги или хотя бы пальцы пока еще нет. Также рано говорить о регенерации мышцы сердца или нервной ткани головного мозга у человека. Однако все больше данных говорит за то, что проблема восстановления поврежденных или утраченных тканей, конечностей и участков жизненно важных органов у высших животных и человека в принципе разрешима. Над ней работают, над ней надо работать, и это может привести к важнейшим результатам, значение которых трудно переоценить.

Литература

Полежаев Л. В. и др. Стимуляция регенерации мышцы сердца . «Наука», 1965.

Полежаев Л. В. Утрата и восстановление регенерационной способности органов и тканей у животных . «Наука», 1968.

Какое существо может отрастить себе новый мозг? December 13th, 2016

Аксолотль, как было установлено учеными, является личинкой мексиканской амбистомы. Амбистомы (Ambystomatidae), семейство хвостатых амфибий. Амбистома — сухопутное животное, внешне похожая на крупную саламандру, но более скромной расцветки.

У аксолотля есть фантастическая способность отращивать утраченные органы.

Мы, конечно, знаем и других животных, которые могут отращивать новые хвосты или лапы, но всем им до аксолотля очень-очень далеко: он умеет полностью восстанавливать не только конечности, но и глаза, челюсти, сердце. И наконец - это единственное позвоночное, которое может заново отрастить повреждённые фрагменты своего мозга.

Как же это происходит?

Исследователи из Института Броуда (Broad Institute of MIT and Harvard) обнаружили, что частично разрушенный паллиум (часть переднего мозга, которая у человека образует кору больших полушарий) аксолотля способен образовывать все типы нейронов, которые были в нём до повреждения. Это означает, что вновь сформированная ткань мозга амфибии может подавать все те же сигналы, что были в её "арсенале" до ранения. Однако есть и ограничения: аксоны (длинные отростки нейронов), связывающие паллиум с другими частями мозга при регенерации, у аксолотлей образуются достаточно плохо. Работа опубликована в журнале eLife.

Ранее уже было известно, что личинки саламандр — аксолотли — могут отращивать не только утраченные конечности, но и некоторые более экзотические части тела — например, участки мозга. Однако не было понятно, насколько правильно при этом происходит регенерация. Ведь для нервной ткани важно не только число и соотношение различных типов клеток, но и порядок их связей друг с другом. Чтобы его определить, американские нейробиологи использовали методы электрофизиологии, а также красители, меняющие цвет нейронов в зависимости от того, как часто они посылают сигналы определённой интенсивности.

Авторы предполагают, что способность аксолотля регенерировать различные типы нейронов связана с его личиночным состоянием. Саламандры могут жить в форме аксолотля до смерти и при этом способны к размножению (размножение на стадии личинки называется неотения). Тем не менее при выполнении определённых условий (например, при добавлении йода в воду) аксолотль в любом возрасте может превратиться во взрослую саламандру. Это означает, что все клетки его тела постоянно готовы к метаморфозу. Грубо говоря, они по свойствам достаточно близки к стволовым клеткам.

Что касается проблем с восстановлением длинных отростков, исследователи считают, что тут дело не в неспособности новых нейронов образовывать аксоны, а в отсутствии соответствующих сигналов со стороны окружающей нервной ткани. При эмбриональном развитии судьба каждой клетки определяется сигнальными веществами, которые выделяют её соседи — другие развивающиеся клетки. Нейроны мозга взрослого аксолотля таких веществ не образуют, поэтому новопришедшие клетки "не понимают", куда направлять аксоны. Однако если в ткань добавить такие вещества, новые аксоны наверняка удастся отрастить.

Механизм регенерации саламандрами утерянных конечностей не имеет ничего общего с действием стволовых клеток, выяснили ученые.

Магические способности саламандр

Способность этих хвостатых земноводных отращивать себе лапы, легкие, мозг волновала человечество на протяжении тысячелетий -- ее изучали Аристотель, Вольтер, Дарвин.

Когда животное теряет часть тела, клетки поверхностного слоя кожи быстро покрывают рану так называемой эпителиальной крышкой, фибробласты разрывают связи с соединительной тканью и образуют на месте раны бластему, из которой формируется новая конечность. К примеру, на новую лапу уходит всего три недели.

В конце XX века ученые предполагали, что клетки саламандр похожи на стволовые, то есть могут превращаться в любой орган.
Мартин Крагль из немецкого Института Макса Планка выяснил, что это не так. Вместе с американскими коллегами он исследовал, как мексиканская саламандра аксолотль Ambystoma mexicanum отращивает себе конечности и ткани. Крагль воспользовался открытиями сотрудников Калифорнийского университета, которые доказали, что клетки бластемы саламандр подобны клеткам в развивающихся конечностях эмбрионов млекопитающих, которые способны обновлять свои конечности, однако теряют эти навыки перед появлением на свет.

Эксперимент в ультрафиолете

Исходя из идеи, что развитие конечностей из бластемы практически повторяет в кратком виде их естественное развитие у растущих существ, немецкие и американские ученые разделили животных на две группы. Первой ввели протеин GFP, полученный из флюоресцирующей медузы. В ультрафиолете этот протеин подсвечивает клетки зеленым цветом, что позволяет ученым проследить происхождение различных клеток и их предназначение. Во вторую группу вошли как взрослые аксолотли, так и личинки. Им ученые ввели клетки с протеином, взятые у генно-модифицированных особей. Личинкам вещество вкалывали туда, откуда, как знали биологи, должны были вырасти различные ткани и органы, в частности нервная система. Взрослым особям сначала вводили клетки с протеином, а потом отрезали от тела по кусочку.

Несколько недель пронаблюдав за подопечными, биологи выяснили, что клетки ведут себя весьма консервативно -- они вырастают лишь в те органы и ткани, из которых произошли. «Главный вывод исследователей: новые клетки мышц производят лишь старые клетки мышц, новые клетки кожи производят лишь старые клетки кожи, новые нейроны производят только старые нервные клетки», -- пишет издание Science Daily.

Нагляднее всего этот процесс наблюдался у личинок: вколотые в область, откуда должна была вырасти нервная система, подсвеченные зеленым клетки распространялись по растущему аксолотлю в точности по схеме нервной системы.

«По всей вероятности, клетки близ ампутированного органа перепрограммируются, что позволяет им запускать эмбриональные программы формирования тканей без возврата к изначальной полипотенциальной клетке», -- отметили исследователи в статье, опубликованной в престижном журнале Nature.

Другими словами, клетки саламандр ведут себя принципиально иным образом, нежели стволовые. Если последние способны получать специализацию и развиваться в практически любые органы, то в клетках саламандр заложен механизм четкой преемственности.

От саламандры к супермену

Преимущество клеток саламандр в том, что для начала процесса регенерации им не нужно доходить до эмбрионального состояния -- они отлично работают будучи взрослыми. Раскрыв тайну «активных клеток», врачи смогут выращивать человеку оторванную руку или ногу по примеру саламандры.

«Однажды мы сможет регенерировать ткани людей», -- верит один из авторов исследования Малькольм Меден. Надежды американских ученых во многом объясняются личностью заказчиков исследования: его проспонсировал департамент обороны США, представители которого хотят помочь перенесшим ампутацию ветеранам Ирака и Афганистана.

В некоторых источниках даже пишут, что Аксолотли могут буквально собирать себя по частям - присоединяя к себе освободившиеся части других сородичей - включая головы.

Грубо говоря, если взять куски аксолотлей, сложить вместе и перемешать, то вполне возможно (утверждать наверняка не берёмся), что этот винегрет вскоре срастётся в нечто единое, поднимется на лапы и отправится по своим аксолотским делам.

Благодаря своим уникальным способностям, эти животные водятся теперь не только в Мексике - их можно найти в научных лабораториях по всему миру, где учёные беспрестанно режут их на кусочки и потом опять складывают, как мозаику, надеясь разгадать этот фокус-покус.

источники