Biologia rozwoju i rytmy biologiczne

Ruchy rotacyjne Ziemi – obrót dookoła własnej osi oraz obieg Ziemi wokół Słońca, związane są z następstwem dnia i nocy oraz pór roku.

Na organizmy żywe mają wpływ:

-dobowe zmiany środowiska naturalnego przede wszystkim oświetlenie ( dzień i noc)

-sezonowe zmiany środowiska, np. temperatura (zima/lato), występowanie opadów

Zjawiska te wymuszają cykliczne dostosowanie się procesów fizjologicznych i biochemicznych do zmian w otoczeniu.

Rytmy biologiczne

-organizmy żywe w toku ewolucji wykształciły różnorodne rytmy biologiczne.

-rytmy biologiczne: mają znaczenie adaptacyjne, pomagają optymalnie zsynchronizować funkcje życiowe z okresowymi zmianami warunków środowiska zewnętrznego, umożliwiają przewidywanie nadchodzących zmian i odpowiednio wczesne dostosowanie się do nich.

Chromobiologia- nauka zajmująca się

Cechą charakterystyczną jest ich endogenne pochodzenie. Oznacza to, że np. rytmy biologiczne występujące w ciągu doby nie są prostą odpowiedzią na cyklicznie występujące zmiany oświetlenia odbierane jako dzień i noc w środowisku zewnętrznym.

Organizmy wytworzyły odpowiednie mechanizmy umożliwiające im „odczytywanie” upływającego czasu.

Rytmy te są wytwarzane i sterowane przez tzw. Wewnętrzne dobowe/ okołodobowe oscylatory nazywane zegarami biologicznymi.

Rytmy biologiczne są opisywane i oceniane ilościowo poprzez podanie 4 wartości liczbowych:

-okres T – czas trwania jednego pełnego cyklu wyrażony w jednostkach czasu

- mesor (midline estimating statistic of rythm)- wartość średnia krzywej rytmu dopasowana do danych otrzymanych z pomiarów wyrażonych w tych samych jednostkach co dane

-amplituda- różnica między wartością minimalną a maksymalną rytmu

-akrofaza -odstęp czasu pomiędzy punktem odniesienia np. północą (czasowe), a punktem czasowym w którym występuje najwyższa wartość krzywej rytmu.

Najlepiej poznane i najczęściej występujące rytmy biologiczne u człowieka to :

a) rytmy okołodobowe (cirkadialne), które przebiegają w cyklach około 24-godzinnych. Układ utrzymywania rytmu okołodobowego jest układem dziedziczonym. W okresie prenatalnym płód ma rytm biologiczny matki. Po urodzeniu, do 3 miesiąca życia nie ma jeszcze indywidualnego rytmu ( okres dojrzewania układu nerwowego ), jest on nadal wykształcany przez matkę.

Zegar biologiczny ulega starzeniu, w wyniku czego odczytywanie upływającego czasu (doba) ulega skróceniu.

Wraz z wiekiem dochodzi do zmian w rytmach okołodobowych np. układów hormonalnych:

-redukcja amplitudy rytmu

-zwiększenie zmienności akrofazy

-zmiana częstotliwości rytmu

-desynchronizacja rytmu

Zmniejszenie amplitudy rytmu: kortyzol, DHEA i DHA-S, aldosteron, estradiol, 17-OH progesteron, aminy katecholowe, melatonina, TSH, prolaktyna.

Zwiększenie amplitudy rytmu: LH, RSH

Procesy podlegające wahaniom dobowym u człowieka (przykłady):

-rytm sen-czuwanie i związana z nim aktywność lokomotoryczna

-szybkość pracy serca i ciśnienie tętnicze krwi

-wydzielanie hormonów (np. ACTH, kortyzol, hormon wzrostu, prolaktyna, melatonina)

-temperatura ciała (najniższa: 5-6 rano, najwyższa 15 i 21-23 )

-wrażliwość wzrokowa

-aktywność narządów wewnętrznych np. wątroba, nerki, jelito grube

-wydzielanie moczu i zawartych w nim składników

-liczba leukocytów (najniższa o 11-14, najwyższa o 17-20)

-stężenie hemoglobiny ( spadek 17-20 i wzrost 11-13)

-krzepnięcie krwi, agregacja płytek krwi ( wzrost rano około 9 i spadek wieczorem)

-wydzielanie kwasu solnego w żołądku

Narząd godziny najwyższej aktywności godziny najniższej aktywności

Wątroba 1-3 13-15

Płuca 3-5 15-17

Nerki 17-19 5-7

Pęcherz moczowy 15-17 3-5

Serce 11-13 23-1

Wiele procesów fizjologicznych przebiega w rytmach stosunkowo szybkich (sekundowych) np.:

-aktywność bioelektryczna kory mózgowej (fale w zapisie EEG)

-rytm pracy serca

-rytm oddechowy

b)Rytmy okołomiesięczne: np. wydzielanie żeńskich hormonów płciowych; pik wydzielania LH ok. 15 dnia cyklu menstruacyjnego, owulacja, krwawienie (menstruacja)

c)rytmy sezonowe zsynchronizowane z porami roku:

-przejawiają się u wielu gat. zwierząt (np. aktywność rozrodcza, ilość spożywanego pokarmu)

-u ludzi: sezonowe zmiany nastroju, energii życiowej, aktywności ruchowej, metabolizmu.

Zegar biologiczny:

-u człowieka i innych ssaków za regulację rytmów okołodobowych odpowiadają odpowiednie struktury OUN, odrywające rolę dobowych zegarów biologicznych – oscylatorów.

-rolę nadrzędnego zegara biologicznego odgrywają jądra nadskrzyżowaniowe, położone obustronnie w przedniej części podwzgórza nad skrzyżowaniem nerwów wzrokowych

-pojedyncze jądro SCN zawiera ( w zależności od gatunku) od 8 000 do 13 000 gęsto upakowanych małych neuronów o bogatej strefie dendrycznej

Model koncepcyjny zegara biologicznego składa się z trzech podstawowych elementów:

1. Właściwego zegara odpowiedzialnego za wytwarzanie endogennych rytmów okołodobowych.

2. Szlaków aferentnych doprowadzających sygnały środowiskowe do zegara.

3. Szlaków eferentnych za pomocą których rytmiczne sygnały powstałe

Stosując terminologię elektroniczną można opisać poszczególne składowe jako:

-wejście ->oscylator ->wyjście

Wejście (input):

-światło jest najważniejszym środowiskowym sygnałem wejściowym kompleksu zegara biologicznego (siatkówka oka)

Oscylator ( pacemaker):

-jądrem zegara biologicznego jest endogenny oscylator, który wytwarza rytmiczny sygnał „dobowy” w sposób autonomiczny. Cykl jedne trwa ok. 24 godzin.

-sygnały wejściowe do zegara biologicznego dostosowują endogenny rytm oscylatora

Wyjście (output):

-wytworzony prze endogenny oscylator rytmów sygnał wyjściowy jest przekazywany z zegara biologicznego drogami eferentnymi do struktur efektorowych. W strukturach tych dochodzi do przetworzenia sygnału oscylatora w rytmiczny sygnał efektorowy charakterystyczny dla typu i funkcji docelowej.

Geny zegarowe to:

-Clock, Bml1, Per1, Per2, Per3, Cry1, Cry2

- poza jądrami nadskrzyżowaniowymi geny zegarowe ulegają ekspresji w innych tkankach np. w wątrobie, płucach, nerkach, mięśniach szkieletowych.

Melatonina:

-dobowy rytm biosyntezy i stężenia melatoniny jest skorelowany z długością dnia i nocy

-biochemiczny zegar – przekazuje inf. o porze dnia

-biochemiczny kalendarz – przekazuje inf. o porze roku

-melatonina jest syntetyzowana głównie w szyszynce, a także w siatkówce, w śródmózgowiu i pniu mózgu

-melatonina zsyntetyzowana w szyszynce zostaje pulsacyjnie uwolniona do krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego i tą drogą dociera do różnych tkanek organizmu

Ontogeneza – rozwój osobniczy człowieka od momentu zapłodnienia komórki jajowej (poczęcia), aż do śmierci osobnika ( osoby).

1. Okres rozwoju wewnątrzmacicznego (prenatalny)

2. Okres rozwoju pozamacicznego (postnatalny)

Elementy składowe jakościowe:

1. Wzrastanie- zwiększanie się masy i rozmiarów ciała

2. Różnicowanie- zmiany prowadzące do powstania nowych struktur o zróżnicowanej budowie

3. Dojrzewanie- doskonalenie i dostrajanie funkcji narządów

4. Postęp- doskonalenie organizacji organizmów jako całego systemu

Elementy składowe ilościowe:

1. Kinetyka rozwoju – poziom na jakim przbiega rozwój konkretnego osobnika

2. Tempo rozwoju – wilkość przyrostów przypadająca na określoną jednostkę czasu

3. Rytm – niejednakowe tempo rozwoju w poszczególnych okresach

4. Rozmach rozwoju – zmiana wielkości cechy od urodzenia do zakończenia rozwoju

Energetyczno-informacyjne aspekty rozwoju:

a)informatyka

b)energetyka

c)metabolika

d)dystrybucja

Czas trwania ciąży:

- 40 tyg, czyli 280 dni

-licząc początek ciąży od owulacji lub zapłodnienia czas trwania ciąży wnosi 266 dni (38 tyg.), tj. 9 i pół miesiąca księżycowego lub 8 i trzy czwarte miesiąca kalendarzowego

W okresie prenatalnym wyróżniamy:

1. Okres przedzarodkowy – od zapłodnienia do końca 3 tygodnia (21 dnia). W tym czasie zygota prze stadia moruli i blastocysty, przekształca się w tarczkę zarodkową składająca się z trzech listków zarodkowych.

2. Okres zarodkowy – od początku 4 do końca 8 tygodnia ciąży. Rozpoczyna się proces powstawania oraz szybkiego wzrostu i różnicowania wszystkich najważniejszych narządów ustroju ( organogezeza). Początek formowania się zarysów ciała zarodka (proces morfogenezy – rozwoju kształtu)

3. Okrez płodowy – od 9 tygodnia do końca 38 tygodnia. W tym czasie kontynuowany jest proces różnicowania morfologicznego i czynnościowego tkanek, narządów i ukłdów. Zarodek stopniowo przekształca się w płód.

Budowa i czynność łożyska:

-Łożysko (łac. Placenta)- łożysko ludzkie jest zaliczana do typu krwiokosmówkowego, krew matczyna oddzielona jest od krwi płodu przez 3 warstwy kosmka: trofoblast, tkanka łączna zrębu kosmka, śródbłonek naczynia kosmka. Około 7 dnia trofoblast wnikając w błonę śluzową macicy różnicuje się na dwie warstwy: wewnętrzną ( cytotrofoblast) i zewnętrzną ( syncytiotrofoblast). Okres trofoblastyczny (od momentu implantacji zarodka) - >okres trofoblastyczny kosmówka, a później okres łożyskowy. Część matczyna łożyska powstaje z przekształconej błony śluzowej macicy (endometrium). Błona śluzowa macicy w czasie ciąży przekształca się w błonę doczesnową. Część matczyna łożyska składa się z części zbitej i warstwy międzykosmówkowej. Na początku 3 miesiąca ciąży kosmówka kosmata łączy się z doczesną podstawną i powstaje łożysko. Jednostką morfologiczno – czynnościową łożyska jest liścień. Łożysko znajdujące się w jamie macicy zawarte jest pomiędzy jamą owodni i mięśniówką macicy.

Sznur pępowinowy zawiera dwie tętnice pępowinowe i jedną żyłę pępowinową. Powstaje w 5 tygodniu ciąży. Dla pępowiny charakterystyczna jest- tkanka łączna śluzowa, zawiera dużo glikozoaminoglikanów ( galareta Whortona).

Czynność łożyska:

1. funkcja oddechowa

2. funkcja odżywcza

3. funkcja wydalnicza

4. funkcja ochronna

5. funkcja wewnątrzwydzielnicza (progesteron, estrogeny, gonadotropina kosmówkowa)

Błony płodowe – struktury, które są wytworem zarodka, ale nie tworzą części składowych zarodka. Można je określić jako pomocnicze narządy zarodkowe, które w odpowiednich okresach rozwoju chronią zarodek.

Do błon płodowych zaliczamy:

1. pęcherzyk żółtkowy

2. omocznię

3. owodnię

4. kosmówkę

Pęcherzyk żółtkowy:

- pęcherzyk pierwotny - > pęcherzyk wtórny - > pęcherzyk ostateczny

- między 2 -3 tyg. Pęcherzyk żółtkowy spełnia ważną rolę w przenoszeniu płynu odżywczego4

- hemopoeza

- pierwotne komórki płciowe

Omocznia:

-powstaje przez uwypuklenie się tylnej części jelita pierwotnego do szypuły brzusznej

-omocznia rozciąga się na całej długości sznura pępowinowego

-pozostałością po owodni jest więzadło pępkowe

-u człowieka jest błoną płodową zanikową

- Uwaga: nerki płodu zaczynają wydzielać mocz około 15 tygonia.

Owodnia:

- owodnia rozwijając się w postaci jamy, otacza zarodek i zapewnia mu środowisko wodne. Na koniec powstaje pęcherz płodowy

-płyn owodniowy: barwa słomkowa

- w końcu ciąży płód połyka ok. 400 ml płynu owodniowego dzienne.

-stany nieprawidłowe: małowodzie i wielowodzie

Kosmówka:

- powstaje z niej łożysko

Regulacja hormonalna wzrastania płodu:

-wzrastanie w okresie rozwoju wewnątrzmacicznego podlega odmiennej regulacji niż po urodzeniu

- w pierwszym trymestrze wzrost przebiega zgodnie z genetycznym zapisem

- w późniejszym okresie rozwoju płodu , głównym czynnikiem regulującym wzrost jest dowóz tlenu i substratów odżywczych

- główna rola hormonów we wzrastaniu płodu polega na pośredniczeniu w zużyciu dostępnych substratów

- człowiek 25-30% swojego wzrostu osiąga przed urodzeniem

- narozwój płodu wpływają istotne substancje o działaniu para- lub autokrynnym

Czynniki pobudzające mitozy komórek płodu:

1. somatomedyny (IGF) – są mitogenami wszystkich komórek płodu, a hormonem stymulującym ich aktywność jest łożyskowy hormon laktotropowy (hPL)

2. Czynnik wzrostu nabłonka (EGF)- pobudza wzrost kom. Skóry, nabłonka dróg oddechowych oraz jelit.

3. Czynnik wzrostu fibroblastów (FGF)- stymuluje mnożenie się komórek śródbłonków naczyniowych, komórek mózgu i płytek

4. Płytkopochodny czynnik wzrostu (PDGF) – synteza DNA

5. Czynnik wzrostu nerwów (NGF)

6. Erytropetyna – stymuluje mitozy i różnicowanie się prekursorów erytrocytów, interleukin i tymozyny

7. Produkty różnych klas protoonkogenów komórkowych (dotyczy genów niezmutowanych)

Hormony klasyczne:

1. Kortyzol- ważny hormon w procesie przygotowania płodu do życia poza macicznego. Odgrywa rolę stymulatora surfaktantu w tkance płuc płodu. Stymuluje wzrost liczby receptorów dla insuliny, beta-adrenergicznych oraz czynnika EGF w płucach płodu

2. Hormon tarczycy- u człowieka nie mają działania wzrostowego na płód. Są natomiast niezbędne do prawidłowego rozwoju tkanki mózgowej – szczególnie w tzw. Krytycznym okresie ( 18-20 tydzień), jak również w drugiej połowie ciąży i do 6 miesiąca po urodzeniu

3. Hormon wzrostu (GH)- pomimo dużego stężenia we krwi płodu jest minimalny ( niedojrzałość receptorów GHR).

4. Testosteron (DHT)- szczyt wydzielania ok. 114 dnia ciąży, ma wpływ na wzrost i prawidłowy rozwój zewnętrznych narządów płciowych u płodu płci męskiej

5. Estrogeny- produkowane przez płodowe jajniki mają tylko znaczenie wspomagające w rozwoju zewnętrznych narządów płciowych u płodów żeńskich

Okres dojrzewania obejmuje trzy fazy:

1. Faza przedpokwitaniowa (ok. 11 roku życia)

2. Faza pokwitaniowa (12-16 rok życia)

3. Faza dorastania (16-18 rok życia)

W większości przypadków dojrzewanie u dziewczynek przebiega w następującej kolejności:

-rozwój gruczołów piersiowych

-skos wzrostowy

-owłosienie łonowe

-dojrzewanie gonad

-pierwsza miesiączka

Dojrzewanie u chłopców przebiega w następującej kolejności:

-powiększenie jąder

-owłosienie łonowe

-wzrost prącia

-skok wzrostowy

UWAGA: na rozwój owłosienia łonowego i pachowego u obu płci oprócz androgenów gonadalnych, główny wpływ mają androgeny pochodzenia nadnerczowego (DHEA, S-DHEA)

Adrenerche - to zmiany somatyczne zależne od zwiększenia wydzielenia androgenów nadnerczowych

Gonadarche - to zmiany somatyczne zależne od zwiększenia wydzielania steroidów płciowych prze gonady ( jądra, jajniki)