Сколько прожили гибридные эмбрионы человека и свиньи. Биологи впервые создали эмбрион из клеток человека и свиньи
Мир приблизился к одной из этических дилемм, о которых мы не хотели думать. Ученые произвели эмбрионы, комбинируя ДНК от свиньи и человека, чтобы сделать так называемую химеру. Они развивались в течение нескольких недель, прежде чем были уничтожены. Можно с уверенностью предположить, что эмбрионы-гибриды скоро будут развиваться дальше, но технические проблемы сделали их формирование более сложным, чем ожидали ученые.
Как появляются химеры
Химеры — организмы, образованные из двух оплодотворенных клеток, или зиготы, взятых от различных видов. Судя по названию, они должны оставаться на страницах книг Джоан Роулинг или древней мифологии, но есть веские причины, почему некоторые ученые хотят их создать. В частности, люди умирают от нехватки донорских органов, таких как сердце и почки. Химеры, созданные путем комбинирования оплодотворенных клеток свиньи и человека, могут оказаться решением этой проблемы, так как они станут источниками достаточно похожих на наши собственные органов, которые можно будет эффективно трансплантировать.
Этические проблемы
Многие считают, что эта идея даже звучит ужасающе, но другие утверждают, что это не хуже, чем выращивание животных, часто в ужасающих условиях, просто для того, чтобы их съесть. Кроме того, будет трудно объяснить человеку, чья единственная надежда на выживание — печень химеры, что эта идея кажется слишком отталкивающей для реализации. Фантасты и философы некоторое время пробовали решить эту этическую проблему, но политические институты и широкая общественность, как правило, откладывали ее в корзину сложных вещей, о которых мы пока что не должны беспокоиться.
Поэтому заявление об успешном создании эмбриона-гибрида служит тревожным сигналом, что мы не можем больше откладывать решение этой проблемы и должны заняться ею уже сейчас.
Начальный этап работы ученых
Усилия ведущего исследователя профессора Хуана Карлоса Бельмонте из Института Солка и его команды показали, что в этом вопросе существуют не только этические препятствия. «Конечная цель состоит в том, чтобы вырастить функциональные и переносимые ткани и органы, но мы далеки от этого, — сказал Бельмонте в своем заявлении. — Это важный первый шаг».
Бельмонте начал с того, что помещал стволовые клетки крысы в эмбрион мыши. Этим занимались ранее и другие исследователи. Затем он использовал инструменты для редактирования генов, чтобы удалить гены, ответственные за развитие конкретных органов у мыши, и заменил их крысиными эквивалентами. «Клетки крысы имеют функциональную копию отсутствующего гена мыши, так что они могут вытеснять клетки мыши и занимать освобожденные ниши для развития органов», — сказал первый автор подобного исследования доктор Джан Ву, также из Института Солка.
Почему используются эбрионы свиней
Человеческие стволовые клетки ранее также были введены эмбрионам мыши, но результаты оказались незначительными. Бельмонте и Ву пошли дальше и попытались ввести клетки человека эмбрионам коров и свиней. Часть работы с эмбрионами коров оказалась более трудной и дорогостоящей, и поэтому был сделан выбор в пользу свиней.
Но даже после этого работа не была простой. С момента зачатия до рождения свиньи проходит менее четырех месяцев, так что их развитие происходит гораздо быстрее, чем у людей.
Несмотря на то что команде все же удалось получить промежуточные человеческие плюрипотентные стволовые клетки для формирования химеры в пределах эмбриона свиньи, гибрид больше напоминал животное, а не человека. Авторы считают это хорошим результатом, так как многие из самых больших этических проблем возникают в случае создания существа с человеческим мозгом.
Эмбрионы были уничтожены через 3—4 недели, и они продемонстрировали свою жизнеспособность на этом этапе. Авторы работают над установкой конкретных человеческих генов в последующих химерах (как это было сделано при работе с крысами и мышами), чтобы создать больше человеческих органов.
2018-01-25 Игорь Новицкий
Понятие онтогенез
Онтогенез - индивидуальное развитие особи, все последовательные преобразования живого организма с момента его зарождения до конца жизни. Онтогенез проходит на генетической основе под непрерывным и разнонаправленным влиянием факторов внешней среды. Под внешней средой понимают не только легко контролируемые условия содержания, но и любые факторы вне самого организма. Для плода в утробе матери сам материнский организм является не только источником жизни, но и фактором среды. После рождения этим фактором являются «взаимоотношения» поросенка и матери, между поросятами в гнезде. Все эти моменты играют большую роль в их жизни, в частности формировании поведения животного. Основные черты онтогенеза - непрерывность, периодичность и строго контролируемая генотипом направленность.
Факторы онтогенеза
Онтогенез представляет собой в общем плане реализацию заложенной в генетическом коде программы роста и дифференцирования всех внутренних систем, обеспечивающих целостность и соподчиненность их друг другу и организму, его общим потребностям. Но онтогенез - это не простое повторение путей и способов существования предшествующих поколений, а единичное и даже уникальное, особенное отражение молекулярно-генетического и организменного уровней эволюции данного вида. Поэтому представляется необходимым схематично показать, каким образом осуществляется механизм наследования основных признаков и свойств, регулирующий в совокупности процессы развития.
Гены
Ген считается единицей наследственности, а простейшая схема развития заключается в формуле «ген - фермент - признак». Однако известно, что сам ген представляет собой сложную структуру, составленную из структурных и регуляторных частей. Благодаря тому что структурная часть генов имеет сложное строение с разным числом нуклеотидов по отношению к аминокислотным остаткам, возникает возможность разрыва генов и перекомбинации их частей, что может привести к возникновению нового гена.
Развитие любого признака изначально контролируется одним или несколькими генами (качественные признаки) или множеством генов (количественные признаки). Любой из них обладает строгой специфичностью действия: дискретностью - способностью к перестройкам, полигенностью - взаимодействием с другими генами, плейотропностью - влиянием на другие признаки. Эти свойства гена связаны с его химической активностью как сложного соединения.
Гены содержатся в каждом клеточном ядре, точнее в хромосомах ядра, поэтому у каждой особи их огромное количество и вариантов взаимодействия генов очень много. Это дает основание считать, что каждый организм уникален, и эта уникальность определяется взаимодействием генотипов со средой. Тем не менее можно говорить об определенном типе развития особей сходного происхождения в относительно одинаковых условиях жизни, ибо их геном практически одинаков, как и их генотип (совокупность наследственных задатков), и эта схожесть реализуется в фенотипе в одинаковой среде обитания.
При делении клеток наследственное начало равномерно распределяется между ними, гены являются катализаторами внутриклеточных реакций. В результате в клетках образуются ферменты и гормоны - химические соединения, ответственные за внутриклеточный обмен веществ и энергии. Происходит специализация клеток, ведущая к формированию органов и тканей, отличающихся друг от друга не только специфичностью, но и разной скоростью формирования. Наконец, сложные биохимические реакции внутри тканей приводят к формированию общеорганизменных процессов. На строго определенных этапах развития происходит включение отдельных генов или их групп, эти включения (или выключения) зависят от концентрации ферментов или гормонов, а активность гормонов - от качества и уровня внутритканевых реакций. В свою очередь, для того чтобы реакции на организменном и тканевом уровнях шли нормально, необходимо поступление извне (с кормом и водой) питательных веществ, для нормального усвоения которых нужны и другие условия (температура внешней среды, влажность, свет и т.д.). На этом уровне на ход и правильность обмена веществ влияет состояние нервной системы, сигнализирующей о соответствии условий обитания общему физиологическому состоянию организма.
В этом сложном непрерывном процессе обмена веществ и энергии могут происходить сбои на любом уровне онтогенеза: на молекулярно-генетическом - в форме мутаций; на клеточном и тканевом - в форме болезней; на организменном - в форме неполноценного фенотипа. Программа онтогенеза вырабатывается методом проб и ошибок в ходе микроэволюции, исторического развития конкретного вида. Генотип как наследственная основа онтогенеза предполагает его высокую повторяемость в поколениях и является базой прогнозируемого, направленного и контролируемого процесса.
Фенотип является реализованным генотипом, но немалое значение имеют и паратипические факторы развития, т.е. условия кормления и содержания животного. Среда воздействует на организм непрерывно и комплексно, поэтому отделить генотип от среды невозможно. Понимание этого привело академика М. Ф. Иванова к логичной и простой формуле: «Лучшие генотипы надо искать среди лучших фенотипов».
Влияние среды на онтогенез
Онтогенез особи предполагает преобразование внешних факторов развития во внутренние. Дифференциация внутренних систем организма сопровождается непрерывным установлением оптимального соотношения систем. Способность организма к авторегуляции наследственно обусловлена и закреплена длительной эволюцией, она проявляется в форме гомеостаза, т.е. подвижного равновесия между организмом и средой.
Среда является сложным комплексом положительных и отрицательных факторов. Но так как этот комплекс воздействует на организм непрерывно в течение всей жизни животного, то онтогенез можно рассматривать как ответ организма на действие факторов среды. Впервые идею взаимодействия генотипа и среды высказал выдающийся ученый академик И. И. Шмальгаузен.
Периодизация онтогенеза
Развитие любой особи надо рассматривать в сравнении с аналогичными показателями группы животных и в контролируемых условиях среды. При таком анализе выявляется фактор взаимодействия «генотип - среда», результатом которого является сам онтогенез.
Применительно к свиньям и другим видам сельскохозяйственных животных выделяют пренатальный (эмбриональный, утробный) и постнатальный (постэмбриональный) периоды развития. В пренатальном развитии выделяют фазы: зародышевую (с момента оплодотворения яйцеклетки до 18-го дня беременности свиноматки), предплодную (до 32-го дня развития) и плодную (до момента рождения). У свиней фаза зародыша составляет около 20 % утробного развития, в то время как у крупного рогатого скота - примерно 35 %.
В постнатальном периоде применяют периодизацию, связанную с технологией выращивания: молочный период, в том числе фазу новорожденное (до 7-10-го дня после рождения), фазу молочного питания (до отъема поросят от матери) и фазу послеотъемного выращивания поросят, и период откорма. Применяют также периодизацию по характерным особенностям формирования высшей деятельности: первый период - от рождения до начала полового созревания в 4-5-месячном возрасте; второй - период полового созревания (до 7-8-месячного возраста) и период взрослого состояния свиньи.
При любой классификации периодов онтогенеза надо выделять наиболее существенные стороны жизнедеятельности в эти периоды и среди них - формирование нервно-гуморальной системы, способность к нормальному воспроизводству потомства и адаптационная способность. В итоге главным в классификации является характер взаимоотношений организма со средой, который проявляется в типе и уровне обмена веществ и энергии данной особи или группы особей, а источником этих изменений являются факторы питания, состояние внешней среды, структура сообществ (групп, стада) животных.
В этой связи приемлема периодизация постэмбриогенеза К. Б. Свечина с некоторыми уточнениями и дополнениями, в которой выделяют период молодости (от рождения до остановки роста), период зрелости и период старения. Период молодости включает фазы ново- рожденности, молочного питания, послемолочного питания (у свиней - это выращивание поросят-отъемышей независимо оттого, получает поросенок молоко или не получает), полового созревания. Последняя фаза развития в нормальных условиях характеризуется наиболее интенсивным ростом животного по промерам и массе тела. В период зрелости племенные животные проявляют максимальную продуктивность. Заканчивается онтогенез периодом старения, развитие приобретает обратное направление. В животноводстве старые особи редко используются, так как продуктивность их падает, а на поддержание здоровья необходимы значительные и часто неоправданные затраты.
Развитие особи включает в себя процессы роста и дифференци ровки, разделить которые невозможно. Этот комплекс обеспечивает целостность организма и единство с условиями окружающей среды. Рассмотрим онтогенез свиньи по периодам и фазам развития.
Образовавшаяся в результате слияния половых клеток зигота размером 140-160 мкм шарообразной формы начинает быстро делиться. Через 20-24 ч некоторые зиготы находятся на стадии 2-4 бластомеров, а в течение двух суток продвижения по яйцеводу - на стадии 2-8 бластомеров.
На 3-и сутки зиготы попадают в матку, имея уже 4-8 бластомеров, на 4-е - из зиготы формируется морула, в ней зародыш имеет уже множество бластомеров малых размеров. На срезе под микроскопом хорошо виден эмбриобласт, т.е. эмбрион, покрытый однорядным слоем клеток, образующих трофобласт, который обеспечивает питанием зародыш. С этого момента питание эмбриона осуществляется за счет секретов матки (органа).
На 5-е сутки зародыш вступает в стадию бластулы (пузырьков), растягивающихся в результате поступления в зародыш питательной массы из полости матки. На 6-е сутки прозрачная оболочка лопается, зародыш освобождается и начинает резко увеличиваться в размерах. На этой стадии зародыши сильно различаются в размерах.
На 9-е сутки бластоцисты теряют шарообразную форму, в них закладываются зародышевые листки. Эмбриобласт дифференцируется на экто- и энтодерму, между ними появляются клетки мезодермы, а трофобласт интенсивно разрастается и превращается в амнион, окружающий зародыш. Из клеток мезодермы формируется желточный мешок, который вместе с внутренней поверхностью трофобласта пронизывает сеть кровеносных сосудов. К этому времени зародыш имеет длину 10-12 и ширину около 3 мм.
На 13-14-й день зародыш вытягивается в нить длиной до 7 см диаметром 104 мкм. В дальнейшем зародыш меняет форму: длина его резко сокращается, но увеличивается толщина. Имплантация зародышей в рогах матки заканчивается к 18-му дню, на этом завершается зародышевый период развития.
На 14-е сутки в зародыше появляются первые сомиты, из которых образуются позвонки. Тогда же четко дифференцируются все зародышевые листки. Из эктодермы возникает наружный эпителий тела, млечные, сальные и потовые железы, щетина и копыта, эпителий кишечника, зубная эмаль и вся нервная система. Из энтодермы образуются пищеварительный тракт, поджелудочная, щитовидная и околощитовидная железы, органы дыхания и среднее ухо. Из мезодермы берут начало скелет и скелетная мускулатура, сердце, гладкие мышцы, соединительная ткань кровеносных сосудов, кровяные тельца, кора надпочечников, плевра и брюшина, перикард, органы размножения и мочевыведения.
На 20-е сутки у плодов четко наблюдаются основные органы, мезонефрос представляет собой большую массу ткани по сравнению с размером всего зародыша; мозг уже разделился на пять отделов и имеются все 12 пар черепно-мозговых нервов. Сердце из трубки превращается в четырехкамерный орган. Печень в этот период играет важнейшую роль в кровоснабжении плода, так как через нее проходит вся плацентарная кровь.
Таким образом, в зародышевом периоде у свиней проходит основная закладка всех систем и органов и начинает функционировать плацента. Достаточно четко эмбрионы различаются по качеству дифференнировки (особенно по размерам тела). На это время приходится до 75 % общих потерь плодов до опороса. Одной из основных причин гибели зигот и зародышей считается неполноценность половых клеток и недостаточный размер яйцеклеток к моменту оплодотворения. Треть потерь обусловлена изменениями хромосом, а также повышением температуры тела свиноматки выше 40 °С в первые 13 суток после их осеменения. Высокая наружная температура воздуха (32-39 °С) влечет за собой гибель зигот в первые два дня после оплодотворения. Критический период отмечается на 6-7-е сутки супоросности, когда оболочка бластоциста лопается и клетки зародышей непосредственно контактируют с маточной средой. Отклонение от нормы гормональной картины матери отрицательно влияют на выживаемость эмбрионов.
Большое влияние на выживаемость оказывает ход имплантации с 10-го по 24-й день, а также вместимость и подвижность матки в период плацентации.
В предплодный период, длящийся не более двух недель, формируются кровеносные центры - печень и почки, потом лимфоидные органы и в последнюю очередь - костный мозг. В этот период эритроциты составляют 20 % всего объема крови, концентрация их - 560 тыс/мм 3 , при этом большая часть клеток с ядрами, которые впоследствии заменяются безъядерными. Продолжается усложнение морфологических систем, особенно на 28-30-й дни супоросности. Уже видны зачатки молочных, желез и идет дифференцировка семенников и яичников. Масса плода на 30-й день развития - 1,5 ± 0,05 г, длина - 25 ± 0,3 мм, зародыш содержит около 95 % воды, а сухое вещество на 68 % составляют белки. На пятой неделе супоросности завершается переход на плацентарное питание плодов.
Плодный период эмбриогенеза характеризуется активными процессами дифференцировки и роста плодов: на 51-й день масса увеличивается в 33 раза, на 72-й - почти в 150 раз, содержание воды уменьшается на 7-Ю %, в связи с окостенением многократно увеличивается концентрация в теле кальция, несколько меньше - фосфора. Наиболее заметны изменения морфологических параметров крови. На эндокринологию, т.е. деятельность желез внутренней секреции плодов, сильно влияет кормление супоросных маток. Гормон роста выявлен в плодах уже на 50-й день, а гонадотропная активность гипофиза - на 80-й день, надпочечники полностью формируются к 70-му дню. Гормоны щитовидной железы появляются намного раньше - на 52-й день. В стадии раннего плода в развитии скелета и его отделов уже проявляются межпородные различия. На характер эмбриогенеза, особенно в ранних стадиях, влияют внутрипородные типы телосложения свиноматок: у маток сального типа эмбриональные потери на 2,4 % выше, чем у маток мясного типа.
В предплодном и особенно плодном периодах основной причиной гибели плодов является их инфицирование через материнский организм, а также аллергия и нарушение гормонального статуса матерей. Проявляется смертность в виде мумификации или мацерации (разжижения) плодов, а при микробной инфекции идет гнилостное разложение плодов.
В связи с интенсивным ростом в последнюю треть супоросности основной причиной смерти плодов является также плацентарная недостаточность, т.е. нарушение нормального соотношения между величиной и числом плодов, с одной стороны, и размером матки и плаценты - с другой. Этим объясняется меньшее многоплодие молодых, особенно мелких, маток по сравнению со взрослыми и крупными.
Эмбриогенез
Эмбриогенез определяет качество плодов при рождении, главный критерий которого - способность новорожденного поросенка противодействовать неблагоприятным воздействиям окружающей его новой среды. По сравнению с другими видами домашних животных новорожденный поросенок выглядит очень несовершенным, физиологически незрелым. Это несовершенство обусловлено рядом факторов.
- В связи с относительно короткой супоросностью (10-15 % от продолжительности постнатального роста) у поросят еще далеко не завершено формирование костных структур: скелет в момент рождения на 30 % состоит из хрящей, а костный мозг составляет 26 % от массы скелета. В кишечном соке отсутствует свободная соляная кислота, вследствие чего в желудке усиленно развивается микрофлора.
- Поданным В.Г. Яновича и др., резко снижается содержание гликогена в печени и скелетных мышцах. Независимо от поступления питательных веществ с молозивом уровень глюкозы в крови снижается в 10 и более раз на протяжении первых двух дней жизни. Следовательно для поросят губительна даже непродолжительная задержка с первым кормлением. Кроме того, сосание поросятами матери способствует выделению у нее окситоцина.
- У слабых поросят нередко наблюдаются частичные складки легочной ткани, что является одной из реакций на изменение температуры воздуха. Сильно изменяется кислотно-щелочной показатель крови, в целом для поросят характерен ацидоз. Особенно опасны первые 2 ч после рождения.
- На 1 кг массы тела приходится 900 см 2 поверхности кожи без щетины со слабо развитой подкожной клетчаткой. Одновременно быстро снижается содержание в крови глюкозы, происходит потеря воды из организма. Все это влечет за собой потерю внутреннего тепла.
- Вышеперечисленные факторы свидетельствуют о несовершенстве механизма теплорегуляции у поросят. Химическая терморегуляция устанавливается лишь после 20-го дня жизни поросенка и полностью отсутствует первую неделю после опороса.
- Отсутствие антител приводит к заболеваниям бронхопневмонией, особенно при сочетании низких температур воздуха с высокой влажностью в помещениях. Липиды составляют всего 1 % массы тела, что в несколько раз меньше, чем у других видов новорожденных животных.
- Поросята рождаются с маленьким сердцем (1 % массы тела), небольшим объемом крови (8,6 г на 100 г массы тела) и соотношением систолы к диастоле 1:1, в то время как у других видов новорожденных животных оно ближе к 2:1. При потреблении молозива объем крови быстро возрастает до 9,5-10 и постепенно снижается к 2-3-недель- ному возрасту до 7,1-7,4 мл/100 г массы тела.
- Активность коры надпочечников достигает максимума в первый лень жизни. Поданным В.П. Урбана, гуморальные факторы защиты - витамин А и белки сыворотки крови - у поросят имеют самые низкие значения, затем резко увеличиваются до 4 суток, а начиная с 10-го дня идет их спад. Клеточные факторы естественной резистентности (Т- и В-лимфоциты, пероксидазная активность лейкоцитов) после рождения имеют тенденцию к росту.
- Анемия, т.е. снижение содержания гемоглобина в крови после рождения, обычна для поросят, особенно полученных от зимних опоросов.
Таким образом, фаза новорожденности
характеризуется переходом от внутриутробного к самостоятельному существованию, и этим оп ределяется ее важность и значение для всей последующей жизни Массированному влиянию многих факторов среды противостоят биологическая полноценность материнского молока и конституция но ворожденного поросенка, в этой фазе определяется ход и результат всего постэмбриогенеза.
Основными характеристиками периода молодости является активное увеличение размеров тела, полное формирование индивидуальны уровней обмена веществ и энергии, конституциональных свойств у адаптационной способности, становление репродуктивных качеств И хотя рост свиней длится до 2,5-3 лет (период молодости заканчивается значительно раньше), время его завершения отличается довольно высокой изменчивостью у разных особей. В оптимальных условиях содержания этот период длится примерно до 18-месячного возраста, в котором свиньи достигают 180-200 кг, что составляет примерно 70 % конечной массы племенных животных. К этому возрасту в основном формируется адаптация в форме реактивности и естественной резистентности, полностью реализуются продуктивные способности и определяются показатели племенной ценности матки и хряка.
Молочная фаза
Молочная фаза - это стадия развития, в которой молоко или его заменители, близкие по питательности и усвояемости, являются основным кормом, так как биологически они наиболее соответствуют потребностям организма, переживающего существенные перестройки и становление механизмов жизнеобеспечения. Завершается эта фаза тогда, когда организм начинает обходиться без молочных кормов. Для поросят - это возраст 100± 10 дней при массе 30 кг. Это время довольно высокого относительного прироста массы. Если считать, что фаза новорожденности заканчивается примерно через неделю после рождения, то за молочную поросята переживают четыре удвоения массы (4, 8, 16 и 32 кг).
Химический состав тела свиней изменяется в сторону быстрого накопления жира и насыщенных жирных кислот. К концу первого месяца жизни при увеличении массы тела в 6 раз содержание жира в тканях и подкожной клетчатке возрастает в 100, а белка - всего в 8 раз. Относительное содержание воды с возрастом быстро снижается за счет обезвоживания костяка и кожи. По данным А.И. Поливоды, в длиннейшей мышце спины количество воды уменьшается с 80 до 77 % в двухмесячном возрасте, а доля протеина, наоборот, увеличивается с 11 до 20 % и далее не меняется. Концентрация гликогена падает с 6,5 (в момент рождения) до 0,2 % к двухмесячному возрасту и далее постоянно остается ниже 0,5 %.
После рождения у поросят СИЛЬНО меняется скорость роста отдельных частей скелета: при максимально быстром относительном увеличении массы вначале быстрее растут кости периферического скелета, после двух месяцев - осевого скелета, хуже всего развивается череп. Поэтому в норме сосуны выглядят большеголовыми и длинноногими, а старше 60 дней и особенно после 100-дневного возраста поросята приобретают формы, характерные для всего периода ускоренного роста.
После рождения сильно изменяется эндокринология животных. У 35-дневных поросят в условиях промышленного комплекса степень сформированное органов и тканей зависит от их общего развития. В частности, тимус у гипотрофиков (поросята на недостаточном питании) в несколько раз меньше, а это ведет к задержке Т- и В-систем иммунитета, т.е. снижается резистентность. Активность коры надпочечников максимальна в первый день жизни, затем заметно падает и к началу второго месяца достигает уровня взрослых животных. С увеличением интенсивности роста у поросят изменяется соотношение гормонов гипофиза, в результате чего они становятся более чувствительными к воздействию стресс-факторов, а нервно-гуморальная система в целом неспособна поддерживать стабильное равновесие организма со средой при интенсивном откорме.
Уже к 10-му дню устойчивость поросят к вызванной голоданием гипогликемии (пониженному содержанию в крови глюкозы) значительно возрастает, особенно если температура воздуха поддерживается на уровне 25 °С. Восьминедельные отъемыши устойчивы к голоданию в такой мере, что, получая воду вволю, способны остаться в живых в течение 24-28 дней, даже потеряв 28-39 % массы. При этом значительных изменений в уровне сахара в крови, гемоглобина, неорганического фосфора и креатинина в сыворотке крови не наблюдается. Но в первые дни жизни гипогликемия влияет на выживаемость поросят сильнее, чем масса тела (особенно при температурах ниже 16 °С).
Внутренние органы, кроме желудочно-кишечного тракта, в этой и более поздних стадиях развития увеличиваются значительно медленнее общей массы тела. Объем крови у поросят массой 7 кг (примерно в месячном возрасте) составляет 150 мл/кг, при массе 90 кг он уменьшается вдвое, у взрослых свиней - до 30-40 мл/кг. При рождении у поросят имеется 8 зубов - 4 клыка и 4 резца. Клыки сразу же откусывают щипцами, чтобы поросята при сосании не травмировали соски матери. К началу полового созревания зубов уже 28, в том числе 12 резцов. Постоянные зубы появляются в разные сроки вплоть до 20-го месяца. Зубная формула взрослой свиньи включает 44 зуба, в том числе три пары резцов, одну - клыков и три пары молярных зубов на верхней и нижней челюстях.
Молочная фаза плавно переходит в фазу послемолочного развития: полностью устанавливается система теплообмена, в частности терморегуляции, но этот процесс сильно затрудняется, если нет соответствующих условий содержания. Поэтому отьемыши очень подвержены заболеваниям и падежу. Практика свидетельствует: если поросенок достиг трехмесячного возраста, шанс выжить до конца откорма (до естественной смерти) - в обычных условиях составляет 100 %.
Фазу полового созревания животных важно учитывать при оставлении их на воспроизводство. Практическое значение здесь имеет знание онтогенеза репродуктивных органов и гормональной активности, от которых зависит выраженность и ритмичность циклов у свинок, половая активность и качество спермы у хрячков.
Половое созревание у свиней наступает в возрасте от 4-5 до 9 мес. Проявляется оно в быстром росте репродуктивных органов и закладке фолликулов в обоих яичниках. Зрелость, т.е. способность к воспроизводству, наступает у свинок обычно в 7-9 мес. Это проявляется в овуляции созревших яйцеклеток и в низком, но постоянном уровне титра накопленного гонадотропина. Наибольшая его концентрация в расчете на единицу массы тела и яичника бывает при рождении, после чего плавно снижается и в возрасте 7,5 мес стабилизируется на уровне 0,2-0,5 ед. в расчете на один яичник. Число овулированных яйцеклеток возрастает, особенно после третьей овуляции, что надо учитывать при назначении свиней в случку. В табл. 2.1 приведены некоторые показатели полового созревания свинок разного возраста (по У. Понду и К. Хаупту).
На сроки наступления половозрелости свинок влияют сезон рождения, скорость роста в период выращивания. Чем выше прирост, тем лучше развиваются органы размножения, хотя это и не влияет на наступление первой и последующих охот. После первой охоты репродуктивные органы растут интенсивно, а при следующих половых циклах они мало или совсем не изменяются. Половая зрелость у свинок весеннего рождения наступает на 10-12 дней раньше, чем у свинок зимних опоросов. У хрячков примерно на сотый день жизни семенники из внутренней полости переходят в мошонку, а половое созревание наступает по многим породам в возрасте 4-6 мес. С возрастом объем спермы и число спермиев в эякуляте увеличивается в десятки раз, при этом улучшается качество спермы, достигая оптимума в 7 мес; далее стабилизируется при равномерном использовании хряков.
Таблица 2.1
Связь между уровнем гонадотропина и возрастом, массой тела, яичника и гипофиза у свиноматок
*Единица активности гормона роста в ответ на данное количество ткани гипофиза измерена путем увеличения эпифизарного хряща у гипофизэкто- мированных крыс. |
В фазе полового созревания, что очень важно, продолжается усиленный рост молодняка.
Особое практическое значение имеет онтогенез пищеварительной системы. В первые декады жизни способность к быстрому росту у поросят ограничивается возрастной анатомо-физиологической подготовленностью пищеварительных органов. У новорожденного желудок буквально чуть больше наперстка, но уже к 10-му дню его объем утраивается, еще через 10 дней достигает 200 мл, а в 2 мес - почти 2 л, после чего скорость его роста падает.
Тонкий кишечник в первые дни жизни растет также быстро: в первый день его вместимость 100 мл, в 20 дней -700 мл, а к началу третьего месяца - 6 л. Толстый отдел растет иначе: при рождении его объем 40-50 мл, в 20 дней - 100 мл, и только потом он увеличивается намного быстрее, достигая после 2 мес объема более 2 л, в 4 мес - 7 л и в 7 мес - 11 - 12 л. Соответственно изменяются масса и длина желудка и кишечника. Темпы развития пищеварительных органов намного опережают прирост других частей тела, что и является основой для высокой скорости роста свиней в последующие периоды. Толстый отдел вначале растет медленнее желудка и тонкого отдела кишечника, потому что в рационе ранневозрастного молодняка преобладают легко переваримые и усвояемые корма - молоко и другие молочные продукты, и лишь с трех недель поросята начинают есть другие, в том числе грубые, корма. Скорость роста кишечника можно регулировать применением разнотипного кормления. С увеличением массы и объема кишечника резко возрастают секреция и активность кишечного сока, особенно после 3-4-месячного возраста.
На ранних стадиях пост эмбриогенеза активность желудочного сока (в частности пепсина) невелика в связи с отсутствием свободной соляной кислоты. Это и есть причина желудочно-кишечных заболеваний в первый месяц жизни, и только после 40-50 дней проявляется бактерицидное действие сока желудка. Растительные корма не перевариваются и из желудка переводятся в тонкий кишечник. Трипсин его тонкого отдела очень активен, и это компенсирует возрастную ахлоргидрию поросят раннего возраста. В желудочно-кишечном тракте содержатся как молочно-кислые, так и гнилостные бактерии (в том числе кишечные палочки).
Обобщая сказанное, можно сформулировать возрастные различия в деятельности пищеварительных органов. У поросят раннего возраста они не обеспечивают переваривания и всасывания такого количества питательных веществ, которые бы в полной мере обеспечивали свойственные поросятам биологические возможности роста и развития. У взрослых свиней высокий прирост, наоборот, ограничивается не пищеварительными органами, а наследственно обусловленной возможностью ассимиляции.
Период половой зрелости
В период половой зрелости происходит коренное изменение состава приросшей массы поголовья. Преобладает в нем доля жировых тканей, а в мышцах с возрастом прогрессирует содержание мышечного жира. Это - результат изменения внутриклеточного обмена, преобладания процессов ассимиляции над диссимиляцией, причем интенсивность основного обмена в расчете на единицу массы тела с возрастом резко снижается.
Период зрелости напрямую зависит от общего физиологического состояния свиней и связан с интенсивностью их выращивания и племенного использования. Индивидуальное разнообразие его продолжительности очень велико. Отмечены случаи получения от матки 25 опоросов, а количество маток-долгожителей (8 и более опоросов) в условиях промышленных комплексов может составлять 13 % от общего числа свиноматок (данные М.П. Ухтверова). Однако в целом срок племенного использования маток и хряков не превышает 2-2,5 лет, что соответствует возрасту 3-3,5 года, в котором раньше свиньи достигали лишь расцвета своих природных способностей.
Онтогенез свиней имеет три видовые особенности роста:
- низкая скорость в эмбриональный и высокая в постэмбриональный периоды развития;
- высокая интенсивность роста, приводящая к тому, что живая масса взрослой свиньи в 200-250 раз больше, чем при рождении, в то время как у крупного рогатого скота она больше всего в 10-15 раз;
- сочетание длительной продолжительности роста с ее высокой интенсивностью. Свинья растет до трех лет (около 1000 дней), почти в 9- 10 раз дольше по сравнению с утробным периодом (114-115 дней).
Если первые две особенности мало зависят от породы и присущи всем свиньям (видовые особенности), то третья в значительной степени обусловлена как раз этим фактором. В результате онтогенез в стадии молодости и половой зрелости у скороспелых и сальных пород носит черты большей интенсивности и меньшей завершенности по сравнению со свиньями умеренно скороспелых универсальных пород. Итогом этих различий является превосходство последних в среднем на 50 кг живой массы во взрослом состоянии.
Современные концепции роста свиней объясняются аксиомой Д’Арси Томсона: «Форма связана с функцией». Изменения организма в процессе роста, зрелости и старения в определенной степени являются реализацией генетического кода, особенно в отношении изменений адаптации животных. Но связи формы и функции двусторонние. Через генотип выражается первичность унаследованной формы по отношению к функциям развивающейся и взрослой особи. Но тем же генотипом обусловлены возможные реакции организма и отдельных его органов и систем на непосредственное влияние изменяющейся среды. Причем эти возможности ограничены прежде всего возрастом и в какой-то мере - полом и факторами естественного отбора. В результате совершенствуется индивидуальное приспособление, которое можно считать проявлением первичности функции (адаптации) по отношению к форме.
На каждой стадии животные имеют специфические ростовые границы, которые в известных пределах должны быть достигнуты до перехода в следующую стадию. В. Фоулер и Р. Ливингстон сформулировали гипотезу ростовых границ у млекопитающих (включая и свиней), которая описывает закономерность смены периодов и фаз онтогенеза.
Внутриутробное развитие начинается с зиготы, затем развиваются бластоцисты с определенным кровообращением. После рождения особи решающую роль играет функциональная приспособленность, так как животные должны успешно конкурировать и привыкать к условиям среды. В пределах этих двух ростовых границ жизни форма относительно неважна и потому нет необходимости проявлять какие-то особые, более чувствительные адаптации. Для послеотъемного периода и половой зрелости характерны уже другие жизненные параметры, поскольку животное не зависит от своих родителей.
Зрелая форма довольно гибкая: с возрастом связь между формой и функцией ослабляется. Старение и естественная смерть генетически организованы так, что старое животное, освобождая место потомству, умирает по завершении своей репродуктивной функции. В каждом периоде онтогенеза преимущественное развитие получают те органы и ткани, которые необходимы для более успешного функционирования. И одновременно неблагоприятные условия в каждой фазе развития в первую очередь отрицательно влияют именно на эти органы.
В этом-то и состоит суть закона трофических (питательных) воздействий на онтогенез, который более известен как закон Чирвинского - Малигонова: «Задержка роста неизбежно приводит к снижению роста его органов и тканей». В итоге происходит задержка общего развития.
Исторический онтогенез свиньи
Впервые это понятие в зоотехнию ввел академик А.И. Овсянников. Исторический онтогенез является частью филогенеза, эволюционного развития вида. Каждая особь повторяет все прошлые стадии развития своего вида.
Преобразования свиней, получившие ускорения с момента перехода к осознанному выведению высокопродуктивных пород желательного типа, повторяются в поколениях в виде надставок, которые коренным образом изменили фенотип животного. Но эти надставки современных стадий развития вида занимают небольшое время в онтогенезе и отличаются неустойчивостью. Поэтому при значительном ухудшении содержания или уровня селекции эти надставки быстро теряются. Это проявляется в очень быстром (буквально в течение двухтрех поколений) возврате свиней по своему фенотипу к прошлым формам примитивности и низкой продуктивности.
Исходя из этого историческим онтогенезом свиньи является та часть филогенеза, которая ограничена рамками сознательного, направленного породообразования. Для иллюстрации положения приведем данные А.И. Овсянникова по показателям обмена веществ у аборигенных и заводских пород свиней при массе 70 и 130 кг. Потребление с кормом азота у первых составляло 30,6-31,6, у вторых - 47-48,4 г/сут, т.е. в полтора раза выше. В то же время отложение азота в составе белков тела у аборигенных свиней по мере наращивания массы увеличивалось (0,113 и 0,126 г/кг живой массы), а у заводских свиней с очень высокого уровня - 0,145 г/кг снизилось при массе 130 кг до 0,094 г/кг. Это говорит о глубоких изменениях биологии свиней в результате длительной селекции, направленной на повышение скороспелости.
Эмбрион—гибрид человека и свиньи. Биологи из США, Японии и Испании ввели стволовые клетки человека в яйцеклетку свиньи. Выращенный в утробе животного эмбрион ученые назвали химерой — в честь существа из античной мифологии. В перспективе эти исследования позволят ученым выращивать органы для трансплантации и изучать природу генетических заболеваний. Для того, чтобы исследования продвинулись дальше, ученые должны не только доказать эффективность опытов, но и их этичность.
В чем суть эксперимента
Группа американских ученых из калифорнийского Института биологических исследований Солка ввели человеческие стволовые клетки в эмбрион свиньи на ранней стадии развития и поместили его в утробу животного. Спустя месяц стволовые клетки развились в зародыши с зачатками человеческих тканей: сердца, печени и нейронов.
Из 2075 пересаженных эмбрионов до 28-дневной стадии развились 186. Полученные эмбрионы были «крайне нестабильными», признают ученые, но пока это самый успешный гибрид человека. Ученые пишут, что полученная химера — важнейший шаг к созданию эмбрионов животных с функционирующими человеческими органами.
Источник: Cell Press
Конечная цель заключается в том, чтобы вырастить функциональные и готовые к трансплантации органы, проведенные эксперименты — первый шаг к этому, пишет WP со ссылкой на ученых из Калифорнии.
О результатах похожего исследования рассказывается в первом номере журнала Nature за 2017 год. Как следует из публикации, группе ученых из Японии и США удалось вырастить поджелудочную железу мыши внутри крысы, а затем пересадить вырабатывающий инсулин орган больным диабетом мышам, что не вызвало иммунного отторжения. Это стало первым подтверждением, что межвидовая трансплантация органов возможна, пишет Nature.
Зачем это нужно
Главная цель ученых — выращивание человеческих органов с помощью эмбрионов крупных животных. По данным американского Минздрава, каждый день в ожидании органов для трансплантации умирают 22 человека. Ученые давно пытались выращивать искусственные ткани вне человеческого тела, но органы, развивающиеся в чашке Петри (так называют емкость для выращивания микроорганизмов), сильно отличаются от выращенных внутри живого организма.
Технология выращивания искусственных органов, скорее всего, будет похожа на эксперимент с мышами и крысами, пишет The Washington Post. Крысы, которым в рамках описанных в Nature исследований подсаживались новые клетки, были генетически модифицированные. Они не могли вырастить собственную поджелудочную, поэтому стволовые клетки «заполняли свободное пространство». Часть появляющихся у крыс желез была пересажена больным мышам. После операции мыши жили со здоровым уровнем глюкозы в течение года — полжизни в человеческих масштабах, пишет WP.
Исследование доказало, что межвидовая трансплантация не только возможна, но и эффективна, прокомментировал результаты старший автор исследования Хиромицу Накаучи из Стэнфордского университета. Ученым таким же образом удалось «вырастить» сердце и глаза.
Какие сложности
Ученые из Калифорнии добились первых результатов спустя четыре года после начала исследований. По их словам, свиньи — идеальные животные для эксперимента. Их органы примерно такого же размера, однако они растут гораздо быстрее человеческих. В дальнейших исследованиях фактор времени должен стать главным, признаются исследователи.
«Пока количество человеческих клеток в полученном эмбрионе очень незначительное, а весь процесс проходит на ранней эмбриональной стадии, поэтому пока рано говорить о создании полноценной химеры», — прокомментировал результат коллег Накаучи. В полученных эмбрионах на 100 000 клеток свиньи приходилась только одна человеческая (эффективность 0,00001%). «Достаточно добиться эффективности от 0,1% до 1% клеток», — объяснил BBC один из авторов калифорнийского исследования.
После четырех недель развития ученые из Института Солка по этическим соображениям уничтожили полученные эмбрионы, чтобы предотвратить полноценное развитие химеры. «Мы лишь хотели ответить на вопрос, смогут ли человеческие клетки вообще приспоосбиться», — объяснил один из авторов.
Этические вопросы
В 2015 году Национальные институты здравоохранения США наложили мораторий на финансирование исследований, в рамках которых скрещиваются клетки человека и животных. Поскольку стволовые клетки могут развиться в любую человеческую ткань, в перспективе может быть создано животное с человеческим мозгом, считают некоторые биоэтики. Другие указывают на нарушение «символической границы» между человеком и животным, пишет WP.
Калифорнийские ученые считают, что страхи вокруг «химер» больше походят на мифы, чем на контролируемые эксперименты, но признают, что возможность рождения животного с человеческими клетками вызывает беспокойство.
В августе Национальные институты здравоохранения США допустили возвращение к финансированию исследований химер. Организация предлагает разрешить введение стволовых клеток людей в эмбрионы на ранней стадии развития крупных животных за исключением других приматов.
«Нам наконец-то удалось доказать, что такой подход к созданию органов возможен и безопасен. Надеюсь, люди поймут это. Многие считают, что это из раздела научной фантастики, но сейчас это становится реальностью», — прокомментировал возможное снятие запрета Накаучи.
Даниил Сотников
Фото на превью: кадр из фильма «Химера»
Фото в шапке: WikiCommons