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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.

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.

Перенос эмбрионов – это собирательный термин для технологий, используемых для трансплантации эмбрионов из матки одного женского организма в другой. Данная технология используется преимущественно у крупного рогатого скота, но очень хорошо применима и у свиней - в будущем, возможно, применение данной технологии будет иметь более широкий масштаб.

С. Л. Терлоу и Дж. Р. Добринский, Международного центр биотехнологии «Minitube», Хорив, штат Висконсин, США

Эта статья знакомит с основами трансплантации свиных эмбрионов (собирательный термин для технологий, которые в будущем могут быть более распространены в свиноводстве). После того, как яйцеклетки или "яйцо" оплодотворяется сперматозоидом, образуется зигота. В течение многих лет в центре внимания свиной промышленности был вопрос о видах трансплантации эмбрионов на ранних стадиях эмбрионального развития.

Что такое трансплантация эмбрионов?

Трансплантация эмбрионов (ЭТ) относится к области репродуктивной науки и заключается в удалении эмбрионов из матки одного женского организма (донора) и трансплантации одного или нескольких эмбрионов суррогатной самке (реципиенту). Первое потомство млекопитающих в результате трансплантации эмбрионов было воспроизведено у кроликов почти 119 лет назад! Первые поросята в результате трансплантации эмбрионов родились 27 марта 1950 года в Украине. С тех пор исследования, посвященные воспроизводству свиней, включая вопросы овуляции, оплодотворения, развития зародыша, сохранения, миграции, имплантации и выживания, явились результатом исследований, связанных с трансплантацией эмбрионов.

Трансплантация эмбрионов в настоящее время является глобальной индустрией, по данным которой, в 2005 году было произведено около 955 000 коммерческих (не для исследований) трансплантаций эмбрионов млекопитающих, 92% из которых – у крупного рогатого скота. Остальные 8%, в основном, получены у овец, коз, свиней и лошадей. Считается, что около 10000 в естественных условиях (in vivo – от животных) и более 40000 в пробирке (in vitro – полученные при проведении проектов лабораторных исследований) свиных эмбрионов трансплантируется каждый год. Основными странами, предоставляющими данные об этой деятельности в Международное Общество Трансплантации Эмбрионов, являются США, Канада, Тайвань, Корея и страны Европейского Союза.

Как осуществляется ЭТ у свиней?

Стандартный метод трансплантации эмбрионов у свиноматок, как это практиковалось в течение длительного времени посредством вентральной лапаротомии по средней линии.

Коммерческая трансплантация эмбрионов была практичной альтернативой в животноводстве в течение многих лет. У крупного рогатого скота репродуктивный тракт и размер животного позволяет проводить ректальную пальпацию половых путей, что делает возможным дальнейшее нехирургическое ректально-вагинальное трансцервикальное осаждение эмбриона в ипсилатеральном (сторона овуляции) роге матки. У свиней, в виду их меньшего размера, ограничено или запрещено проведение нехирургического ректально-вагинального трансцервикального осаждения эмбрионов. Кроме того, свинья является многоплодным животным с характерными длинными рогами матки, что необходимо для вынашивания выводка или помета поросят во время беременности. Для свиней характерно наличие именно таких длинных рогов матки, а также шейки матки, расположенной по типу «штопор», что препятствует проведению нехирургического трансцервикального сбора и осаждения эмбрионов. Таким образом, ученые и ветеринары давно используют вентральную лапаротомию по средней линии для восстановления и переноса эмбрионов в организм свиньи-реципиента.

Не является ли ЭТ избыточным для свиней?

В течение длительного времени трансплантация эмбрионов у свиноматок производилась посредством вентральной лапаротомии по средней линии.

Свиньи относятся к видам, рождающим помет. Кроме того, в отличие от крупного рогатого скота, где также широко применяется ЭТ, у свиней относительно ранний период полового созревания и короткий период беременности. Таким образом, агрессивный выбор при спаривании свиней, когда производят искусственное оплодотворение (AI), уже позволяет осуществлять генетический прогресс без необходимости проведения ET.

В таком случае, какие факторы мотивируют свиноводов продолжать реализовывать различные методы трансплантации эмбрионов? Вот некоторые из них:

Генетический прогресс

Только 50% генетического материала может быть изменено в одном поколении посредством искусственного оплодотворения, в то время как 100% генетического материала или полностью новый геном может быть введен с эмбрионом.

Расширение рынков

Свиноводство продолжает расширяться во всем мире и характеризуется появлением компаний, которые работают на международном уровне и смогут извлечь выгоду из экономически эффективных возможностей трансплантации эмбрионов вместо продажи живых животных. Это также позволит более мелких предприятиям стать более конкурентоспособными, продавая уникальные генетические образцы в виде законсервированных образцов/трансплантируемых эмбрионов.


Снижение риска для здоровья

Трансплантация эмбрионов может быть использована для преодоления проблем со здоровьем свиней. Эмбрионы могут быть удалены у свиноматок с такими заболеваниями, как псевдобешенство или свиной репродуктивный и респираторный синдром (РРСС), которые затем «отмываются» и передаются реципиенту без выявленных заболеваний для обеспечения здоровых стад. Эта уникальная характеристика ЭТ может быть использована для минимизации или устранения риска развития какого-либо заболевания между стадами и получения желаемого генетического прогресса. Данное применение ЭТ было названо «генетическим спасением».

Генетические рычаги

Использование других биотехнологий, таких как клонирование эмбрионов и криоконсервация, требуют проведение ЭТ для воспроизводства живого потомства.

Медицина

Органы свиней наиболее совместимы с человеческими из-за сходства в анатомии, физиологии и размерах. С точки зрения этики, их применение менее спорно, чем использование органов приматов. В последнее десятилетие в США количество пациентов, ожидающих трансплантации органов, увеличилось втрое. Департамент здравоохранения США и Служба защиты программы человеческого донорства имеет более 50000 заявок на трансплантацию органов. Процедура трансплантации эмбрионов является важным шагом в разработке и производстве генетически измененных свиней, органы которых подходят для трансплантации человеку. Кроме того, свинья была признана более подходящим животным для экспериментального моделирования болезней человека. Лишь 8% исследований, проведенных в США на грызунах или других стандартных моделях по воспроизведению человеческих заболеваний и дошедших до клинических испытаний, в действительности привели к созданию готового продукта для лечения человека. Уникальная физиология и анатомия свиньи делает ее более подходящей для моделирования человеческих болезней, и свинья в настоящее время активно используются для генетических манипуляций и является экспериментальной моделью по воспроизведению таких заболеваний, как атеросклероз, сахарный диабет, муковисцидоз, мышечная дистрофия, рак и другие тяжелые заболевания.

Что является основой?

Ниже приведен список технических факторов, которые будут задействованы при интеграции ЭТ с операцией, проводимой свинье.

Регулирование эстрального цикла

Для обеспечения успешного процесса ЭТ самки-доноры и реципиенты должны быть синхронизированы (для пересадки свежих эмбрионов), так что период течки у реципиентов должен проходить приблизительно в то же время, что и у доноров.

Супер-овуляция

Несмотря на то, у свиньи в период «овуляции» вовлечено от 10 до 25 яйцеклеток (за эстральный цикл), донор может быть гормонально стимулирован для того, чтобы произвести больше оплодотворенных яйцеклеток, что делает донора более продуктивным, так как процесс ЭТ предполагает удаление эмбрионов у самок-доноров. Тем не менее, супер-овуляция не является необходимой для успешного проведения ET.

Выявление половой охоты

Надежные и последовательные методы обнаружения течки и ее регистрации должны быть использованы как для доноров, так и для реципиентов, чтобы реципиенты могли быть точно согласованы с отдельными донорами и их эмбрионами.

Искусственное оплодотворение

У большинства видов ЭТ, как правило, сочетается с искусственным оплодотворением (ИО), потому что производители хотят воспользоваться скрещиванием породистых самок доноров с породистыми самцами.

Оживление и трансплантация эмбрионов

Данная технология быстро развивается, но несколько хирургических, комбинированных и нехирургических методов в настоящее время оценивается с целью определения наиболее эффективных и подходящих свинье. В настоящее время хирургическое оживление и трансплантация дают наиболее стабильные результаты.

Доноры и реципиенты

Эмбрионы, полученные у самок доноров, должны быть трансплантированы реципиентам. Доноры могут быть как по материнской, так и по отцовской линии, но материнские линии являются предпочтительными для реципиентов. Доноры и реципиенты могут быть как свинками, так и свиноматками, при этом у свинок гораздо удобнее проводить хирургические манипуляции.

Обработка и экспертиза эмбрионов

Приемлемые результаты ЭТ можно получить только тогда, когда эмбрионы надлежащим образом подготовлены к трансплантации. Обученный персонал использует стерильные приборы и среды, предназначенные для выращивания и обработки эмбрионов от момента оживления до трансплантации в контролируемых условиях.

Транспортировка эмбриона

Эмбрионы должны быть правильно идентифицированы и подготовлены для отправки по местонахождению реципиента. Транспортировка может включать перенос, перевоз или перелет из одного места в другое. Эмбрионы можно выращивать в течение 72 часов с более низкими конечными результатами.

Нехирургическая трансплантация - это относительно новая технология, разрабатываемая научными сотрудниками Университета в Мурсии

Консервирование эмбрионов

После оживления эмбрионы можно культивировать во время транспортировки, особенно если ЭТ должно произойти в течение 24 часов после оживления. Были разработаны альтернативные методы консервирования эмбрионов, включая хранение эмбрионов до 48-72 часов при низкой температуре и витрификацию эмбрионов для долгосрочной криоконсервации. В отличие от обычных методов консервирования культуры эмбрионов, в будущем именно эти технологии будут играть важную роль для реализации программы поставок при глобальной трансплантации эмбрионов.

Что такое будущее?

В настоящее время типичными результатами следует считать достижение беременности и опороса в 85% случаев трансплантации эмбрионов, а эмбриональная выживаемость (с учетом беременности реципиентов) составляет 50-55%. Сочетание этих показателей говорит о том, что трансплантация эмбрионов до 50% случаев приведет к рождению поросят. Результаты зависят от причины проведения ЭТ. Использование ЭТ с целью спасения генотипов от доноров, чье здоровье находится под угрозой, может быть менее эффективным, чем использование ЭТ для передачи генетического материала в здоровых стадах (см. Таблицу 1). Продолжительность времени культивирования может повлиять на результаты международной трансплантации. Трансплантации свиных эмбрионов, которая успешно применяется в различных областях свиноводства, показывает, что эта надежная процедура заслуживает рассмотрения. Согласно нашим экспериментальным данным, более высокий риск снижения эффективности связан с донорами и качеством эмбрионов при генетическом спасении. Практическая реализация трансплантации эмбриона требует специального помещения, оборудования и квалифицированной бригады хирургов.

Возможно ли проведение ЭТ нехирургическим методом?

В последнее десятилетие много исследований было посвящено более реальным и повторяемым нехирургическим методам трансплантации эмбрионов у свиней. Заимствование методов, применимых у других видов, ограничено, в связи с меньшими размерами животного и уникальной природой репродуктивной системы свиньи. Исследования продолжаются для того, чтобы добиться прогресса в обеспечении применения нехирургических методов ЭТ у свиней в сельскохозяйственной практике. Наиболее обнадеживающие результаты были получены при использовании катетера, разработанного в университете Мурсии доктором Эмилио Мартинесом. Показатели 70,8% опороса и 6,9 поросят из числа родившихся в помете были достигнуты с помощью катетера, который теперь доступен в центре Minitube. Постоянные усилия при проведении исследований направлены на нехирургические методы проведения ЭТ, а именно на то, чтобы данные технологии были конкурентоспособными, а методы проведения ЭТ стали более экономичным и практичным для производителей свиней.


Однако в будущем свиноводства процедура трансплантации эмбрионов станет обычным делом, это всего лишь вопрос времени. Многие глобальные рыночные силы и технологические прорывы вносят свой вклад в этот неизбежный факт. Это волнующий момент – возможность принять участие в данном начинании в сфере текущих комплексных усилий, направленных как на исследование, так и на выявление новых возможностей для производителей.

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.

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

Генетики вырастили 4-недельный эмбрион свиньи с зачатками человеческих органов

• Биотехнологии ,
• Здоровье гика

Химера крысы и мыши показывает нормальное развитие эмбриона (B) и внутренних органов: почек, сердца, печени, лёгких, поджелудочной железы и мозга внутри организма-хоста (С)

Плюрипотентность - уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток, которые могут превратиться в любые из 200 известных видов соматических клеток, в соответствии с заданной программой развития эмбриона и другими условиями. Учёные научились забирать эти клетки у человеческих эмбрионов и культивировать их в лаборатории. Многочисленные опыты показали, что при этом плюрипотентные клетки сохраняют способность дифференцироваться в любые клеточные типы, включая спермии и яйцеклетки.

Но в лабораторных условиях очень трудно вырастить полноценный орган из стволовых клеток, поскольку физиологию человека практически невозможно воссоздать с нуля. Учёные ещё не умеют программировать клетки с такой точностью. Нужна естественная среда, где программа развития клеток в нужный орган активируется сама. Идеальной средой был бы эмбрион человека или примата, но такие испытания запрещены законом. Поэтому учёные нашли выход в использовании эмбрионов физиологически близких к человеку животных - свиньи и крупного рогатого скота. В развитых странах эксперименты над этими эмбрионами пока разрешены.

Для решения этой задачи великолепно подходят химеры - организмы, состоящие из генетически разнородных клеток. Внутри химер можно выращивать органы другого организма. Ряд таких экспериментов провела группа учёных из Института биологических исследований Солка (Калифорния). В том числе им удалось впервые создать химеру эмбриона свиньи с зачатками человеческих органов.

Химеры - очень интересные организмы с научной точки зрения. Они могут стать ценным инструментом для научных исследований с возможностью использовать их в клинических испытаниях и для трансплантации органов.

Сейчас ситуация с донорскими органами очень напряжённая. Например, среднее время ожидания почки - около 10 лет. Средний срок жизни на диализе - 5 лет. Если технику выращивания химер доведут до ума, то подходящую почку можно вырастить гораздо быстрее, пока человек ещё жив.

Используя технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 и новейшие технологии обработки стволовых клеток, учёные успешно имплантировали стволовые клетки в эмбрион и вырастили различные крысиные органы - поджелудочную железу, сердце и глаза - в организме мыши. Этот эксперимент подтвердил концептуальную возможность такого метода получения донорских органов.

Затем исследователи имплантировали плюрипотентные человеческие клетки в эмбрионы свиньи, изучив развитие человеческих тканей и органов. Это первый шаг к более подробным исследованиям по выращиванию человеческих органов в других организмах, подходящих по размеру, физиологии и анатомии.

В 2015 году группа учёных под руководством Исписуа Бельмонте (Izpisua Belmonte) создала первую химеру, проследив за развитием человеческих клеток в нежизнеспособном эмбрионе мыши. Сейчас они пошли дальше, применив технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 для того, чтобы задавать развитие плюропотентных клеток в конкретные органы.

С помощью генетического редактирования CRISPR-Cas9 учёные изменили эмбрион хоста, отключив гены, которые отвечают за развитие конкретного органа - например, поджелудочной железы. Затем в эмбрион помещают стволовые клетки другого животного (крысы) с активным геном поджелудочной железы. Сам эмбрион абсолютно нормально развивается в организме суррогатной матери, за исключением того факта, что у него чужая поджелудочная железа.

Точно такие же опыты были проведены с другими органами в химере крысы и мыши - глаз и сердца. Учёные обнаружили также, что плюропотентные клетки крысы неожиданно образовали в эмбрионе мыши желчный пузырь - орган, который отсутствует у крыс. Это указывает на то, что плюропотентные клетки донора испытывают сильное влияние организма хоста и перенимают его программы развития.

Впрочем, выращивание человеческих органов у свиньи будет непростым. Учёные обращают внимание на ряд сложностей, которые возникают при скрещивании сильно отличающихся живых организмов, таких как человек и свинья. Такие трудности отсутствуют при выращивании органов в близких генетически организмах. Например, у человека и свиньи сильно различаются сроки вынашивания плода (у свиньи 112 дней).

Тем не менее, эксперимент с человеческими органами в свиных эмбрионах был проведён. Прекурсоры человеческих тканей начали создаваться и развивались до четырёхнедельного возраста эмбриона, хотя и не с такими показателями успешности, как у химеры крысы и мыши. Выжили лишь небольшое количество клеток - и они явно не развивались в нечто жизнеспособное. Эксперимент прекратили для оценки безопасности и эффективности технологии.

Учёные признают, что конечной целью исследований с химерами может быть выращивание человеческих органов и тканей в промышленных масштабах, но это очень отдалённая перспектива. В ближайшие годы исследования в этой области имеют теоретическое, а не практическое значение. Они дадут лучшее понимание человеческого эмбрионального развития и помогут изучить некоторые болезни, которые невозможно изучить иным способом.