Projekt okładki i stron tytułowych

Marek Goebel

Autorka sylwetek rozpoczynających rozdziały

Dorota Maria Kaczmarek

Wydawca

Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji

Renata Ziółkowska

Redaktor

Małgorzata Nawrot

Dział reklamy

Agnieszka Borzęcka (agnieszka.borzecka@pwn.pl)

Produkcja

Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Katarzyna Rek / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1970, 1975, 1977, 1979, 1983, 1986

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA 2005, 2012, 2018

ISBN 978-83-01-20358-0

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2018 r., (wyd. IX)

Warszawa 2018

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Przedmowa do wydania dziewiątego

Historia życia osobniczego, jedyna i niepowtarzalna, rozpoczyna się podczas zapłodnienia, w chwili połączenia informacji zawartej w komórkach płciowych – męskiej i żeńskiej. Powstaje program zawierający instrukcję rozwoju dla danej jednostki, wykrojony z programu dla gatunku, do którego owa jednostka należy. Programu, który powstawał w ciągu milionów lat ewolucji, podobnie jak analogiczne programy dla innych organizmów żywych, np. wierzby, myszy domowej czy szympansa. Zapłodnienie jest momentem przełomowym w ciągłym procesie życia, bowiem dzieli je na odcinki reprezentujące poszczególne jednostki.

Trzeba w tym miejscu nadmienić, że jak się wydaje, promesa na nowe życie wydawana jest wcześniej, z chwilą, gdy człowieka dosięgnie strzała Amora (grec. Eρως Érōs, łac. Amor, bóg miłości, pragnienie, pożądanie). Ci, którzy tego doświadczyli znają konsekwencje, zarówno psychoemocjonalne, fizjologiczne, jak i w końcu biologiczne, bo na świecie pojawia się nowa istota. I choć stan ten opiewany słowem, muzyką, obrazem wydaje się wyjątkowy, w biologii opisany jest zbiorem reakcji biochemicznych, ewolucyjnie najstarszych i powszechnych wśród organizmów żywych. Bezsprzecznie, zdolność do rozmnażania się jest podstawową właściwością wszystkich organizmów żywych. Umożliwia ich trwanie i kontynuację gatunku, stanowi podstawę procesu życia.

Pomijając humorystyczny akcent, niniejsza książka wypełniona jest treścią odnoszącą się do różnych aspektów rozwoju osobniczego człowieka. Opisuje przebieg wzrastania, różnicowania, osiągania stanu dojrzałości biologicznej (wyrażonej zdolnością do rozrodu) i starzenia się organizmu w cyklu życia – od poczęcia do śmierci. Wyjaśnia mechanizmy sterujące tymi procesami. Ukazuje różnorodność indywidualnych dróg rozwoju na tle jedności zapisanej w ewolucyjnie uformowanym wzorcu charakterystycznym dla gatunku. Wyjaśnia biologiczne, społeczne i kulturowe źródła zróżnicowania cech na wszystkich poziomach organizacji biologicznej.

Główny jej cel pozostaje niezmienny, począwszy od lat 70. XX w., daty ukazania się pierwszego wydania Rozwoju biologicznego człowieka autorstwa profesora Napoleona Wolańskiego, a jest nim próba odpowiedzi na pytania: jak to się dzieje, że z pojedynczej komórki, zapłodnionej komórki jajowej rozwija się w pełni dojrzały organizm zdolny do zapoczątkowania nowego życia? Jakie muszą być spełnione warunki, by proces rozwoju przebiegał bez zakłóceń? Dlaczego człowiek starzeje się? Czy śmierć jest nieunikniona? Czy można stworzyć warunki, by życie trwało nieskończenie? I bardziej szczegółowe, dlaczego tak długo po urodzeniu jesteśmy bezradni, zdani na opiekę dorosłych? Czy tak długie dzieciństwo zwiększa nasze dostosowanie, sukces ewolucyjny gatunku? Jakie nowe trendy obserwujemy we wzorcu naszego rozwoju? Jakie czynniki leżą u ich podłoża – biologiczne, społeczne czy kulturowe? Dlaczego w okresie młodzieńczym bez specjalnego namysłu podejmujemy działania, które stanowią zagrożenie dla zdrowia, a czasami wręcz dla naszego życia? Dlaczego tyle czasu poświęcamy na opiekę i wychowanie potomstwa? Czy i jakie to ma znaczenie dla jednostki, populacji, gatunku? Pytania postawione przed laty przez Profesora nie tracą na swej aktualności, bowiem, choć dokonał się niewyobrażalny postęp w nauce i wiele tajemnic zostało uchylonych, to rodzą się nowe pytania, na które nie zawsze potrafimy udzielić jednoznacznej i kompletnej odpowiedzi.

W ciągu ponad czterech dekad profesor Napoleon Wolański opublikował osiem wersji książki, ostatnie ósme wydanie ukazało się w 2012 roku. Zasługi Profesora na polu krzewienia wiedzy o rozwoju człowieka są nie do przecenienia. To w pierwszym wydaniu sprzed ponad 40. lat i kolejnych wydaniach książki, Profesor tłumaczył teoretyczne koncepcje oraz złożoność zjawisk i procesów rozwojowych, wiążąc różne jego aspekty (np. regulacje endokrynne, funkcjonalne, fizjologiczne i biologię) w jedną zintegrowaną całość, tak jak w rzeczywistości przebiega rozwój osobniczy człowieka. Książka ta stanowiła (i mamy nadzieję dalej będzie stanowiła) biblię dla auksologów o podstawie biologicznej, medycznej, humanistycznej, czy nauk o kulturze fizycznej. Wiele pokoleń studentów, w tym niżej podpisana, kształciło się korzystając z wiedzy zgromadzonej na łamach książki Profesora.

Obecne dziewiąte, wspólnie opracowane wydanie książki, pt. Rozwój biologiczny człowieka od poczęcia do śmierci, z podkreślonym zakresem trwania życia osobniczego od poczęcia do śmierci, jest podręcznikiem akademickim adresowanym do studentów kierunków studiów z obszaru nauk przyrodniczych, medycznych i nauk o zdrowiu, nauk o kulturze fizycznej, nauk humanistycznych i społecznych oraz wszystkich zainteresowanych zmianami fizycznymi dokonującymi się w czasie życia osobniczego człowieka.

Pragniemy podkreślić, że biologiczne aspekty rozwoju człowieka są takie same, niezależnie od tego, czy kierunek studiów wpisuje się w zakres nauk przyrodniczych, medycznych i nauk o zdrowiu, nauk o kulturze fizycznej czy humanistycznych lub społecznych. Od Czytelnika zależy, które treści wybierze jako bardziej przydatne w toku studiów, choć naszym zdaniem nie ma mniej lub bardziej ważnych. Wszystko, co piszemy w tym podręczniku stanowi jedną logiczną całość, ważną do poznania i zrozumienia złożoności zjawisk rozwojowych człowieka. Bez poznania, choćby w zarysie, ewolucyjnych podstaw formowania się wzorca rozwoju człowieka, nie zrozumiemy jego specyfiki, a w konsekwencji nie do końca zrozumiemy zachowania człowieka, w szczególności jego zwierzęcą naturę oraz wzajemne przenikanie biologii i kultury w każdej z indywidualnych historii życia. Dalej, bez poznania zachodzących w toku życia osobniczego zmian w strukturze i funkcji poszczególnych organów, narządów i całych układów, anatomia człowieka dla studentów medycyny, nauk o kulturze fizycznej, nauk o zdrowiu czy biologii człowieka będzie statyczną topografią a nie dynamicznym, całościowym obrazem organizmu złożonego z szeregu wzajemnie powiązanych i zintegrowanych w całość podjednostek, których poprawne funkcjonowanie zapewnia zdrowie, sprawność biologiczną, społeczną oraz wysoce satysfakcjonującą jakość życia. Tak więc zachęcamy do przeczytania wszystkich rozdziałów tego podręcznika, choć ostateczną decyzję pozostawiamy Czytelnikom.

Równocześnie pragniemy dodać, że wprawdzie naszym celem jest przedstawienie aktualnej wiedzy na temat różnych aspektów rozwoju biologicznego człowieka w okresie od poczęcia do śmierci oraz wyjaśnienie mechanizmów procesów rozwojowych dla lepszego zrozumienia ewolucyjnie uformowanego wzorca rozwoju charakterystycznego dla gatunku Homo sapiens, indywidualnej zmienności, międzyosobniczych różnic i ich biologicznych, społecznych i kulturowych uwarunkowań, ale nie aspirujemy do wyczerpania wszystkich zagadnień w ramach tej tematyki. Zadbaliśmy jednak o to, aby służyć Czytelnikom za przewodników w zakresie, w jakim badania i dyskurs naukowy pogłębiają naszą wiedzę o człowieku.

Szczególnej uwadze polecamy nowe treści książki. W rozdziale 3 obszernie omówiliśmy przełomowe dla biologii osiągnięcia związane z poznaniem ludzkiego genomu czy molekularnych mechanizmów epigenezy. Owa wiedza pozwala lepiej zrozumieć procesy różnicowania komórkowego w początkowych etapach ontogenezy, biologiczny wymiar kompleksowej relacji matka-płód, dziedziczenia cech nabytych w ontogenezie, mechanizmów stanowiących podstawę plastyczności fenotypowej w przystosowaniu się organizmu do zmieniającego się środowiska.

W rozdziale 5 wyjaśniliśmy specyfikę ludzkiego wzorca wzrastania i cech historii życia na tle innych naczelnych, co pozwala lepiej zrozumieć bezradność ludzkich niemowląt, ogrom nakładów rodzicielskich w opiekę i wychowanie potomstwa oraz znaczenie długiego życia kobiet po zakończeniu okresu rozrodczego (po menopauzie). Sporo uwagi poświęciliśmy okresom przejściowym, z dzieciństwa do dorosłości (okres młodzieńczy i dorastania zwany adolescencją), przejścia menopauzalnego u kobiet i środkowej fazie życia zapoczątkowującej okres starości u kobiet i mężczyzn. Środkowa faza życia wydaje się ubocznym produktem ewolucji człowieka związanym z wydłużeniem trwania jego życia. Na koniec omówiliśmy okresy krytyczne w ontogenezie człowieka w nowym ujęciu proponowanym w epidemiologii auksologicznej.

W książce odwołujemy się do wyników badań antropologii biologicznej, auksologii i biogerontologii. By miały one znaczenie poznawcze, powinny być przeprowadzone zgodnie z procedurami przedstawionymi w metodologii badań. W rozdziale 9 omówiliśmy szczegółowo najważniejsze aspekty strategii badań ontogenetycznych człowieka. Jesteśmy przekonani, że te nowo wprowadzone do książki treści z metodologii i metod badań będą pomocne wszystkim przygotowującym badania naukowe oraz raporty z tych badań.

Tak pokrótce przedstawiają się uaktualnienia, uzupełnienia i nowe treści merytoryczne dziewiątego wydania książki. Przechodząc do strony formalnej – została ona podzielona na rozdziały, w których omawiane treści przedstawiamy w głównej części tekstu oraz w ujętych w ramkę blokach tematycznych. Bloki służą rozwinięciu, uzupełnieniu, przedstawieniu wybranych aspektów omawianego zagadnienia i są wartościowym dodatkiem do głównych treści. Szarym tłem wyróżniliśmy definicje ważnych pojęć i terminów. Wiele z nich powtórzyliśmy w dołączonym na końcu książki słowniku, który zmodyfikowaliśmy zgodnie z aktualnym stanem wiedzy oraz dodaliśmy pojęcia i terminy wprowadzone do niniejszego wydania. Każdy rozdział kończy się podsumowaniem oraz wskazaniem literatury, która pozwoli bardziej dociekliwym studentom poszerzyć swoją wiedzę o interesujące ich szczegóły. W wyborze kierowaliśmy się tym, by publikacje odpowiadały omawianemu przez nas zagadnieniu oraz by były dostępne. Zmuszeni byliśmy pominąć niektóre archiwalne publikacje ważne z punktu widzenia historii badań, ale uczyniliśmy to, aby zapoznać Czytelnika z aktualnym stanem wiedzy; przeszłość pozostawiamy badaczom historii nauki. Ostatecznie krytyczną analizę zasobów literaturowych pozostawiamy studentom. Większość wybranych przez nas pozycji to literatura w języku angielskim. W ten sposób staraliśmy się, by nasz podręcznik spełniał jeden z efektów kształcenia, jakim jest czytanie ze zrozumieniem tekstów w językach kongresowych, wśród których dominuje język angielski.

Mamy świadomość, że niektóre treści będą się dezaktualizować wobec lawinowo przyrastającej wiedzy weryfikującej dotychczasowe ustalenia, w szczególności wiedza odnosząca się do molekularnych podstaw procesów rozwojowych. Prawdę powiedziawszy doświadczamy tego w każdym momencie czasowym rozwoju nauki. Podręczniki są świadkami tego procesu, stąd potrzeba aktualizacji, co niniejszym czynimy.

Niniejsze wydanie opatrzyliśmy uporządkowanym alfabetycznie indeksem rzeczowym, który w naszym zamyśle ma pełnić funkcję wyszukiwarki i ułatwić lekturę. Mamy nadzieję, że nasza książka spełni oczekiwania Czytelników.

Maria Kaczmarek i Napoleon Wolański

Poznań-Warszawa, wrzesień 2018 r.

Spis treści

Przedmowa do wydania dziewiątego

Symbole i skróty

1. Rozwój jako przedmiot badań naukowych

2. Aspekty rozwoju

3. Czynniki rozwoju osobniczego człowieka

Klasyfikacja czynników

Czynniki endogenne genetyczne

Regulacja ekspresji genów: modyfikacje epigenetyczne

Geny homeotyczne i ich rola w regulacji procesów rozwojowych

Genotyp a fenotyp: geny a cechy

Genetyka cech ilościowych

Genetyczne uwarunkowania masy i wielkości

Genetyczne uwarunkowanie kształtu ciała i składników tkankowych

Genetyczne uwarunkowania właściwości funkcjonalnych

Tempo rozwoju a wielkość i masa ciała

Kolejność przejawów rozwoju (zjawisko stadialności)

Zmiany fenotypowego podobieństwa z wiekiem u osób spokrewnionych

Podobieństwo a pokrewieństwo

Teoria limitowanego ukierunkowania rozwoju. Sterowanie rozwojem

Dobór małżeński a rozwój potomstwa

Dobór małżeński

Skutki kojarzenia wsobnego i krzyżowego. Homozja i heterozja

Tendencja równania do średniej

Czynniki endogenne paragenetyczne i pozagenetyczne

Genotyp i mechanizmy regulacyjne matki

Tryb życia i żywienie matki

Właściwości biologiczne rodziców a rozwój dziecka

Wpływ uprzednich ciąż matki. Kolejność urodzenia

Czynniki egzogenne – modyfikatory

Plastyczność fenotypowa

Rodzaje zmian przystosowawczych

Reaktywność organizmu

Wpływ żywienia na rozwój

Zaburzenia żywieniowe a stan odżywienia. Niedożywienie

Wpływ żywienia w czasie ciąży, karmienia piersią i niemowlęctwa

Podsumowanie

Wpływ żywienia na rozwój dzieci i młodzieży

Okresy szczególnej wrażliwości

Niedobory pokarmowe (nieprawidłowe żywienie)

Rola warunków bytowych

Środowisko biogeograficzne

Stresory psychospołeczne

Wpływ trybu życia na przebieg rozwoju

Wpływ aktywności ruchowej

Znaczenie snu i odpoczynku

Determinanty a modyfikatory

4. Rozwój struktury i funkcji w ontogenezie.Mechanizmy rozwoju

Aparat ruchu (stabilizująco-lokomocyjny)

Rozwój układu kostno-stawowego

Rozwój układu mięśniowego, nerwów ruchowych i siły

Postawa ciała. Asymetria budowy

Rozwój motoryczności człowieka

Aparat wegetatywny

Rozwój układu oddechowego

Drogi oddechowe

Płuca

Klatka piersiowa. Przepona

Funkcje oddechowe

Podsumowanie

Rozwój układu krążenia i krwi

Serce

Naczynia

Krew

Podsumowanie

Rozwój układu pokarmowego

Uzębienie

Przewód pokarmowy

Jama ustna

Żołądek

Trzustka i wątroba

Jelita

Przemiana materii i energii

Gospodarka wodno-mineralna. Homeostaza

Zmiany składu ciała z wiekiem

Rozwój układów wydalania

Aparat rozrodczy

Aparat koordynacyjno-regulacyjny

Rozwój narządów zmysłów (receptory i analizatory)

Rozwój układu nerwowego

Podsumowanie

Rozwój zachowania i myślenia

Układ wydzielania wewnętrznego i czynniki wzrostu

Rozwój układu endokrynnego

Rola hormonów w organizmie

Czynniki wzrostu. Hormonalne kierowanie rozwojem

Rozwój odporności organizmu

Bariery mechaniczne i chemiczne

Bariery immunologiczne

5. Etapowość rozwoju

Specyfika ontogenezy człowieka na tle innych naczelnych

Charakterystyka okresów życia w ontogenezie człowieka

Rozwój w środowisku wewnątrzmacicznym

Rozwój po urodzeniu: od narodzin do dorosłości

Faza bierności (wczesne niemowlęctwo)

Faza ekspansji

Niemowlęctwo (późny okres niemowlęcy i poniemowlęcy)

Okres dzieciństwa

Okres młodociany (przedpokwitaniowy)

Pokwitanie i dorastanie

Rozwój człowieka dorosłego: względna stabilizacja, przekwitanie, etap zmian inwolucyjnych

Względna stabilizacja

Przekwitanie (klimakterium)

Rozwόj progresywny a regres

Etap zmian inwolucyjnych (starości)

Okresy krytyczne w ontogenezie człowieka i ich związek ze zdrowiem i chorobą

6. Dymorfizm płciowy

7. Natura zmian rozwojowych w ontogenezie człowieka

Nierównomierność i niejednostajność wzrastania. Kiedy dziecko rośnie?

Cykle i biorytmy w rozwoju ontogenetycznym człowieka

Biorytmy okołodobowe

Biorytmy okołomiesięczne

Biorytmy sezonowe

8. Międzypokoleniowe przemiany przebiegu ontogenezy

9. Strategie badań ontogenetycznych człowieka

Wybrane zagadnienia z metodologii badań naukowych

Proces badawczy

Projektowanie badań i problem badawczy

Wybór metod badawczych

Operacjonalizacja badań

Dobór próby

Badania empiryczne

Analiza danych

Słownik wybranych terminów z zakresu rozwoju biologicznego człowieka

Piśmiennictwo

Spis bloków

2.1. Rozwój biologiczny człowieka: koncepcja, definicja, zasady, cechy rozwoju

3.1. Genom człowieka

3.2. Kamienie milowe w rozwoju badań epigenetycznych

3.3. Gemeliologia – nauka o bliźniętach

3.4. Czynnik matczyny i rola cech matki w rozwoju potomstwa

3.5. Wiek rodziców a rozwój dziecka

3.6. Przekazywanie sygnałów ze środowiska do komórki:

receptory komórkowe

4.1. Budowa kości

4.2. Rozwój tkanki kostnej

4.3. Zmiany budowy mięśni poprzecznie prążkowanych w czasie

4.4. Formowanie się krzywizn kręgosłupa i postawy ciała

4.5. Krew

4.6. Skład pierwiastkowy organizmu człowieka

4.7. Funkcje nerek i pęcherza

4.8. Przewodzenie impulsów

4.9. Rola hormonów w regulacji rozwoju osobniczego

4.10. Hormonalna regulacja pokwitania

5.1. Charakterystyka ludzkich gamet

5.2. Zarodek ludzki

5.3. Łożysko

5.4. Zróżnicowanie przebiegu dojrzewania płciowego

5.5. Telomery a proces starzenia się

6.1. Dymorfizm płciowy cech morfologicznych i fizjologicznych

7.1. Badania różnic sezonowych rozwoju

8.1. Tendencja przemian w cechach morfologicznych i sprawnościowych

9.1. Strategie badań ontogenetycznych – przykład

Symbole i skróty

ACTH (adrenocorticotropic hormone) hormon adrenokortykotropowy

ADH wazopresyna

ALT (alternative lenghtening of telomeres) alternatywne wydłużanie telomerów

AS (adolescent growth spurt) odpowiednik → PHV (peak height velocity) i SPWC (skok pokwitaniowy wysokości ciała)

ATP adenozynotrifosforan

ATPaza fosfohydroliza → ATP, enzym katalizujący reakcję ATP z H_2O

BCMI (body cell mass index) wskaźnik masy komórkowej ciała

BMI względna masa ciała, tzn. wyrażona w proporcji do powierzchni ciała (masa ciała w kg, wysokość ciała w m^2)

BMP (bone morphogenetic protein) białka morfogenetyczne kości

BMR (basal metabolic rate) podstawowa przemiana materii (PPM)

CpG (CpG islands) regiony w genomie o podwyższonej zawartości dinukleotydów 5’–CpG–3’ w stosunku do przeciętnej dla całego genomu

DC (bliźnięta) dwukosmówkowe

DCS długość ciemieniowo-siedzeniowa

DNA kwas deoksyrybonukleinowy

cDNA – komplementarny DNA

mtDNA (DNA mitochondrialny) kwas deoksyrybonukleinowy zawarty w mitochondriach (w odróżnieniu od zawartego w jądrach komórek)

DNMT (deoxyribonucleic acid methyltransferase) enzym metylotransferaza DNA-metylotransferaz (DNMT)

DZ (bliźnięta) dwuzygotyczne, dwujajowe

ECW (extracellular water) woda zewnątrzkomórkowa

EGF (epidermal growth factor) czynnik wzrostowy naskórka

EQ (encephalization quotient) współczynnik encefalizacji

ERV (expiration reserve volume) wydechowa objętość zapasowa

ERV (endogenous retroviruses) endogenne retrowirusy

f (frequency) częstość, w fizjologii zazwyczaj dotyczy oddechów

FM (fat mass) masa tłuszczowa

FFM (fat-free-mass) – masa ciała beztłuszczowego w sensie chemicznym

FSH (follicle stimulating hormone) hormon folikulotropowy, folikulotropina

FSH-RH (follicle stimulating hormone–releasing hormone) hormon uwalniający folikulotropinę

GH (growth hormone) hormon wzrostu (hormon somatotropowy, somatotropina); dawniejszy skrót hGH – ludzki hormon wzrostu (human growth hormon)

GHR (growth hormon receptor) receptor hormonu wzrostu

GHBP (growth hormone binding proteins) hormon wzrostu łączący (wiążący) białka

GHRIH (growth hormone release-inhibiting hormone) somatostatyna, hormon hamujący uwalnianie hormonu wzrostu (somatotropiny), inny skrót SRIH

GHRH [GHRF] (growth hormone releasing hormone [ factor]) hormon [czynnik] uwalniający hormon wzrostu (somatotropinę), somatoliberyna

GnRH (gonadotropin-releasing hormone) gonadotropowy hormon uwalniający

GPFs (growth promoting factors) czynniki promujące wzrastanie

h^2 (heritability) współczynnik odziedziczalności

Hb hemoglobina

HbF hemoglobina płodowa

Hct hematokryt, procentowy wskaźnik objętości krwinek w osoczu

HDL cholesterol o dużej gęstości (korzystny dla organizmu)

HEP (Human Epigenome Project) projekt poznania epigenomu człowieka

HGP (Human Genome Project) projekt mapowania ludzkiego genomu

HRQOL (Health-Related Quality Of Life) jakość życia zależna od zdrowia

ICW (intracellular water) woda zewnątrzkomórkowa

IGF (insulin-like growth factor) – insulinopodobne czynniki wzrostowe → somatomedyny

IRV (inspiration reserve volume) wdechowa objętość zapasowa

LBM (lean-body-mass) masa ciała szczupłego, masa ciała bez tłuszczu, w sensie tkanki tłuszczowej

LBW (low birth weight) niska masa urodzeniowa

LDL choresterol o niskiej gęstości (niekorzystny w nadmiarze)

LGC (latent growth curve) model równań strukturalnych z ukrytymi zmiennymi

LH (luteinizing hormone) hormon luteinizujący (lutropina)

LHRH [LHRF] (luteinizing hormone releasing hormon [ factor]) hormon (czynnik) uwalniający hormon luteinizujący

MC (bliźnięta) jednokosmówkowe

Me mediana

MLM (maximum likelihood method) metoda największej wiarygodności

MM (muscle mass) masa mięśniowa

MSH (melanocyte stimulating hormon) hormon melanotropowy

mtDNA → DNA mitochondrialny

MZ (bliźnięta) jednozygotyczne, jednojajowe

MV (minute volume) dowolna spoczynkowa wentylacja płuc

MVV (maximal voluntary [minute] ventilation) maksymalna dowolna wentylacja minutowa

MSH (melanocyte stimulating hormon) hormon melanotropowy

PCM (protein-calorie malnutrition) niedożywienie białkowo-kaloryczne → PEM

PCR (polymerase chain reaction) reakcja łańcuchowa polimerazy

PEM (protein-energy malnutrition) niedożywienie białkowo-energetyczne → PCM

PHV (peak high velocity) skok pokwitaniowy wysokości ciała → SPWC

Pmt pomenstrualne tygodnie; miara zaawansowania ciąży oraz rozwoju zarodka i płodu

Q (heart output) pojemność minutowa serca

QOL (quality of life) jakość życia

RNA kwas rybonukleinowy

RT (reverse transcryptase) odwrotna transkryptaza

SD (standard deviation) → odchylenie standardowe

SEE (standard error of estimate) wartość błędu standardowego

SEM (structural equation modeling) model równań strukturalnych

SDM skok drugiej młodości

SGA (small for gastation age) noworodek zbyt mały względem czasu trwania ciąży

SHH (sonic hedgehog homolog) białko z rodziny Hedgehog, pełni kluczową rolę w regulacji organogenezy

SM somatomedyny, insulinopodobne czynniki wzrostowe → IGF

SMM (segment muscle mass) masa mięśni w poszczególnych segmentach

SP skok pokwitaniowy → AS

SPP (mid-growth spurt) skok przedpokwitaniowy, skok przedszkolny, skok szkolny

SPWC skok pokwitaniowy wysokości ciała → PHV

SRIH → GHRIH

SS somatostatyna, hormon (czynnik) hamujący wydzielanie hormonu wzrostu (somatotropiny) → GHRIH

STH somatotropina, hormon somatotropowy, hormon wzrostu → GH

SV (stroke volume) objętość wyrzutowa serca

TBW (total body water) całkowita zawartość wody w ciele

TEM (technical measurement error) techniczny błąd pomiarowy

TGF (transforming growth factor) transformujący czynnik wzrostu

TO (take off ) początek skoku pokwitaniowego

TRH (thyrotropin releasing hormone) hormon uwalniający tyreotropinę

TSH (thyroid stimulating hormone) hormon tyreotropowy

VC (vital capacity) pojemność życiowa płuc

VLBW (very low birth weight) bardzo niska masa urodzeniowa

Vt (tidal volume) objetość oddechowa płuc

WHR (waist-hip ratio) wskaźnik talia-biodra; stosunek obwodu talii do obwodu bioder

WHtR (waist-height ratio) wskaźnik talia- -wysokość ciała; stosunek obwodu talii do wysokości ciała

Xic (X-inactivation center) centrum inaktywacji chromosomu X

(arithmetic mean) średnia arytmetyczna

Rozwój jako przedmiot badań naukowych

P rzez większość okresu istnienia ludzkości wiedza wynikała z gromadzenia prostych obserwacji. Obecnie dla jej pomnożenia i zweryfikowania stosowane są coraz lepsze przyrządy i sposoby. Nawet jeśli idzie o to, co nazwać można poznaniem logicznym, stosowany jest złożony aparat pojęciowy matematyki, a wykorzystywane komputery w pewnym stopniu są protezą naszej pamięci i wyobraźni.

Jednak współczesne odkrycia nie są logiczną konsekwencją tego co wiemy, do tego doszły już miliony badaczy i myślicieli przed nami. W odkrywaniu nowych prawd bardziej pomaga ignorancja niż świadomość znanych prawidłowości, bowiem ich uwzględnianie nie pozwala na większą swobodę wyobraźni.

Badaniu podlega wszystko, świat miniony i współczesność – a nawet w sposób naukowy można starać się przewidzieć przyszłość. Dokonuje tego futurologia, która ma niebagatelne znaczenie. Przewidując bowiem to, co mogłoby się zdarzyć, gdyby utrzymany był dotychczasowy kierunek i przyspieszenia zachodzących przemian, można przyszłość naszą kształtować. Można nawet pewnym niekorzystnym zmianom zapobiec.

Niestety nasza wyobraźnia jest niekiedy ułomna i nie potrafimy przewidzieć nawet ubocznych skutkόw własnych poczynań. Skutkuje to niekorzystnymi zmianami o znaczeniu indywidualnym, lokalnym, ale co gorsza, także globalnym. Lokalne i regionalne zmiany powoduje nasza działalność, w szczególności produkcyjna. Zmiany globalne wynikają z przenoszenia się na duże odległości zanieczyszczeń wόd i atmosfery. Zanieczyszczenia gleby, wody i powietrza wpływają na zanieczyszczenia żywności. Na przebieg rozwoju człowieka wpływają zarówno bezpośrednio zanieczyszczenia powietrza, którym oddychamy i wody, którą pijemy oraz żywności, którą spożywamy.

Nie tylko z nawyku porządkowania, ale i z przyczyn czysto praktycznych nauka dzielona jest na szereg dyscyplin. W naukach biologicznych podziału tego dokonuje się przeważnie według przedmiotu badań lub według charakteru badanych procesów, czemu zazwyczaj podporządkowane są metody badań. Podział według przedmiotu uwzględnia, idąc od organizmów najprostszych ku bardziej złożonym, mikrobiologię, botanikę, zoologię i antropologię. Bardziej dokładne podziały, jakie stosują te dyscypliny względem swego zakresu zainteresowań, obejmują na przykład w ramach zoologii protozoologię, parazytologię, entomologię, ichtiologię, ornitologię, prymatologię itd. Antropologia, która dotyczy jednego tylko gatunku, dzieli się według innych zasad. Podział ma miejsce według zjawisk, których dotyczy poznanie naukowe.

Na podstawie charakteru zjawisk i rodzaju procesów zachodzących w organizmach żywych większość subdyscyplin dzielonych jest na morfologię zajmującą się strukturami (w tym makroanatomię i mikroanatomię, pierwsza zwana jest po prostu anatomią, druga histologią). Z anatomii wydzielana bywa biomechanika (lub kinezjologia, czyli nauka o ruchu) zajmująca się mechanicznymi przemieszczeniami części ciała (szczególnie kończyn – ruchami lokomocyjnymi). Odrębnym działem jest fizjologia, zajmująca się czynnościami poszczególnych układów i tkanek, wreszcie biochemia i biofizyka zajmujące się procesami zachodzącymi na poziomie molekularnym i submolekularnym.

Wymienione powyżej dziedziny są już obecnie powszechnie akceptowane, aczkolwiek był okres, gdy histologia jako odrębna dziedzina nie istniała, a biomechanika była traktowana jako anatomia funkcjonalna (dynamiczna).

Wraz z postępem wiedzy istnieje tendencja do dalszego wyodrębniania dyscyplin naukowych, jest to zjawisko naturalne i w miarę gromadzenia się wiedzy szczegółowej zapewne powstawać będą nowe subdyscypliny, jak i dziedziny międzydyscyplinarne. Być może, że powstawać będą też nowe działy nauki zajmujące się systematyzacją wiedzy na poziomie bardziej ogólnym niż omawiane dziedziny, jednak będące czymś więcej niż np. biologią ogólną. Już dzisiaj odczuwane są skutki hermetycznego podziału poszczegόlnych nauk, w wyniku czego ograniczony zostaje odbiόr i wykorzystanie ich wynikόw.

Dokonywane współcześnie podziały oparte są na różnych kryteriach (tab. 1.1). Wyodrębnia się więc szereg dyscyplin, które można nazwać monograficznymi lub systemowymi. Opisują one pewien zakres zagadnień w sposób wyczerpujący bez względu na podmiot badań i szukają pewnych systemów w przejawach życia i sposobie bytowania organizmów żywych. Dziedzinami takimi są genetyka i ekologia w aspekcie zmienności, a ewolucjonizm i auksologia w aspekcie wymiaru czasu. Wszystkie cztery wymienione nauki są stosunkowo młode, najstarsza z nich ewolucjonizm liczy niewiele ponad półtora wieku, w gruncie rzeczy od powstania teorii doboru naturalnego. Mniej niż wiek liczy genetyka. Niedawno jeszcze ekologia nie była pojęciem ściśle sprecyzowanym – natomiast auksologia jest produktem drugiej połowy XX wieku i nadal jest na etapie formowania ogólnych teorii rozwoju. Czymże są więc te dziedziny w systemie nauki.

Genetyka zajmuje się zjawiskami dziedziczenia, to jest sposobem przekazywania i przejawiania się substancji stanowiących informację, a odpowiedzialnych za powtarzalność budowy i funkcji organizmów rodzicielskich i potomnych. Dotyczy to zarówno najprostszych przejawów życia, jak i bardzo złożonych organizmów – od wirusów i bakterii, poprzez rośliny i zwierzęta aż do człowieka (w tym genetycznych uwarunkowań jego inteligencji). W badaniach stosowane są tu metody morfologiczne, fizjologiczne i biochemiczne.

Tabela 1.1. Podział nauk biologicznych według przedmiotu, poziomu organizacji badanych podmiotόw i kierunków badań, oraz miejsce w nim nauki o rozwoju (auksologii)

Ekologia jest nauką o stosunkach zachodzących między organizmem i populacją a środowiskiem, w którym występuje. Głównym problemem badań jest system interakcji między organizmami i ich środowiskiem. Ekologia stosuje rόwnież wiele metod badawczych. Obydwie te dziedziny wiedzy szeroko wykorzystują metody matematyczne. Ekologia stosuje monitorowanie środowiska i organizmów w nich żyjących i na tym tle dokonuje modelowania złożonych stosunków panujących w ekosystemach. Bada relacje, jakie zachodzą między organizmami żywymi tego samego i innych gatunków oraz warunkami środowiskowymi, symulując zmiany związków elementów systemu i badając ich oczekiwany ilościowy wpływ na składowe tego systemu.

Ewolucjonizm traktuje o powstaniu życia, mechanizmach ewolucji i filogenetycznych przemianach (rozwoju rodowym), jakim ulegają organizmy żywe, o formowaniu się nowych gatunków (specjacji) i ich adaptacji do określonego zespołu warunków środowiskowych (ekosystemu, biomu).

• Auksologia, czasami nazywana auxanologia (grec. αὔξω, auxō, lub αὐξάνω, auxanō, „rosnąć” i -λογία, -logia słowo, mowa, nauka), jest wielodyscyplinarną nauką o wzrastaniu i rozwoju w życiu osobniczym organizmu. Auksologia człowieka jest nauką integrującą biologię człowieka, medycynę wieku rozwojowego, genetykę, pedagogikę i psychologię oraz nauki o kulturze fizycznej.

Biologia ontogenezy człowieka jest jej naukową podstawą. Bada ona zmiany, jakie zachodzą w organizmie od chwili jego poczęcia do uzyskania dorosłości, dotyczy więc rozwoju progresywnego w ontogenezie. Jej kontynuację stanowi gerontologia, która bada procesy starzenia się i zmiany prowadzące do naturalnej śmierci. Gerontologia dotyczy więc procesów regresu i inwolucji zachodzących w ontogenezie. Trudno jest jednak rozdzielić w czasie proces rozwoju progresywnego od regresywnego, bowiem poszczególne właściwości organizmu rozwijają się niekiedy jedynie do okresu dojrzewania, a inne nawet do 40–50 roku życia i wówczas zaczyna się ich regres. Stąd całość zmian ontogenetycznych bywa przedmiotem zainteresowania auksologii. Przedmiotem badań auksologii i gerontologii są zarówno zwierzęta, jak i człowiek. W badaniach stosowane są metody histologiczne, anatomiczne (z pewną specyfiką, jaką tworzą w badaniach człowieka metody pomiarowe ciała – antropometria), fizjologiczne i biochemiczne.

Współcześnie auksologia człowieka uległa pewnym przeobrażeniom i traktowana jest jako nauka o czynnikach, mechanizmach i przebiegu progresywnym rozwoju człowieka w procesie ontogenezy oraz o sposobach umacniania zdrowia i metodach kontroli rozwoju biologicznego, psychicznego i społecznego. Natomiast gerontologia traktowana jest jako odrębna nauka o biologicznych, psychicznych i społecznych procesach starzenia się i przejawach starości.

Ponadto, poza wspomnianymi biologicznymi, psychicznymi i społecznymi aspektami rozwoju osobniczego włączana jest także promocja zdrowia oraz metody kontroli zmian jakie zachodzą w ontogenezie, ważne dla działań profilaktycznych. Stan zdrowia jest jednym z kryteriów oceny stanu biologicznego osobnika, a stan rozwoju psychofizycznego jest pozytywnym miernikiem zdrowia. Zrozumiałe są więc wzajemne powiązania między tymi zjawiskami i działami nauki.

Odrębne części tych czterech dziedzin poświęcone są człowiekowi, a to ze względu na jego specyficzną rolę w świecie zwierząt. Genetyka człowieka nie różni się jednak zasadniczo od genetyki zwierząt, a genetyka medyczna nie jest dyscypliną naukową, a rejestrem patologicznych odchyleń o podłożu genetycznym we właściwościach organizmu (fizycznych i psychicznych) człowieka. Znacznie bardziej różni się od ekologii innych zespołów organizmów żywych – ekologia człowieka. Jest bowiem nauką międzydyscyplinarną, opiera się zarówno na badaniach biomedycznych, socjologicznych i etnograficznych. Określa się ją jako naukę o człowieku i jego kulturze jako dynamicznym elemencie ekosystemόw. Ekologia człowieka nie jest częścią ekologii ogόlnej czy biologicznej, ta bowiem nie uwzględnia kulturowej strony zjawisk przystosowania. Nisza człowieka stanowi sieć zarόwno biologicznych, jak i kulturowych jego związkόw ze środowiskiem, w tym sposób jego eksploatacji.

Proces filogenetycznego formowania się człowieka, podobnie jak i dział antropologii i ewolucjonizmu zajmujący się tym problemem nazywamy antropogenezą. W zasadzie jest on o tyle szczególnym działem ewolucjonizmu, że dotyczy ostatniego etapu ewolucji, który trwa w chwili obecnej (czy też jak twierdzą niektóre teorie, uległ u człowieka zahamowaniu); mówiąc o formach stojących na szczycie drabiny ewolucyjnej twierdzi się, że formy te wobec rozwoju kultury, jako wytworu tak znacznie rozwiniętego mózgu, są inną jakością w świecie ożywionym.

W mniejszym stopniu odrębnym działem nauki wydaje się być wiedza o rozwoju osobniczym człowieka. Jej wyjątkowość stanowi raczej to, że żadnym innym gatunkiem z punktu widzenia procesów rozwoju ontogenetycznego nie zajmujemy się tak intensywnie jak człowiekiem Stąd zresztą auksologia bywa rozumiana jako nauka o ontogenezie wyłącznie człowieka, a poznanie tych procesów u innych organizmów żywych jest mniej zaawansowane niż u form ludzkich, podczas gdy akurat odwrotnie ma się rzecz odnośnie genetyki, ekologii czy ewolucjonizmu.

Istnieją spory co do tego, czy auksologia jest rzeczywiście odrębną dziedziną wiedzy, podobnie jak genetyka, ekologia czy ewolucjonizm. Otóż wydaje się, że jej specyfika wynika z tak dalece odrębnej metodologii, że góruje ona nad metodyką (techniką) badań. To co jest aksjomatem dla fizjologa, czy morfologa zajmującego się człowiekiem dorosłym, jest wprost nie do przyjęcia dla specjalisty zajmującego się rozwojem (auksologa). Fizjolog stara się ustalić pewne wzorce, normy działania organizmu. Auksolog doskonale wie, że to co jest normą w pewnym okresie ontogenezy, nie jest nią w poprzednim i następnym. Zdarza się, że to, co w pewnym okresie rozwoju mogłoby być uznane za zaburzenie, anomalię czy wręcz patologię, w innych okresach rozwoju tego samego osobnika może okazać się w pełni normalne i prawidłowe. Przykładem tego może być postawa ciała: to co uznawano za wady (poduszka tłuszczowa stopy) w okresie niemowlęcym, okazywało się etapem przejściowym, typ postawy koguciej we wczesnym okresie pokwitania zanika wraz z kształtowaniem się proporcji w napięciu antagonistycznych grup mięśni, itp. Zdarzało się, że korygując te zmiany jako wady, doprowadzano do powstawania patologii w kolejnych okresach rozwoju.

Zróżnicowanie cech w populacji ludzi dorosłych jednej płci układa się w symetryczny obraz rozkładu normalnego (krzywej Gaussa). Dla zjawisk rozwojowych typowe jest wydłużenie z tej części rozkładu, w której przeważa liczba osobników o wartościach cechy większych od przeciętnych (asymetria dodatnia) lub mniejszych od przeciętnych (asymetria ujemna).

Zjawiskom rozwojowym towarzyszy określona tendencja rozwojowa, która jest prawidłowością ogólną (dotyczy nie tylko organizmów żywych, ale także procesów produkcyjnych, zjawisk ekonomicznych itd.). Przejawia się zwiększeniem przyrostów w tych samych okresach dla utrzymania tego samego tempa procentowego powiększania się (np. wymiarów ciała), zwiększaniem dyspersji wraz ze zwiększaniem średniego wymiaru itd. Te i podobne zjawiska muszą być wyeliminowane w obserwacjach nad rozwojem dziecka, aby spośród licznych matematycznych prawidłowości rozwoju wyodrębnić typowe dla człowieka. Stąd łatwiej jest auksologowi opanować nowe metody badawcze, np. fizjologii, chodzi tu bowiem o nauczenie się pewnych technicznych czynności, niż dobremu nawet fizjologowi, który prowadził badania nad osobami dorosłymi, przejść na sposób myślenia auksologa, posługującego się zupełnie inną metodologią, co wymaga nieomal zmiany równej zmianie światopoglądu. Powiedzieć tak można bez przesady, gdyż współczesny rozwój nauki wymaga w całości nowego spojrzenia na świat, wymaga zrozumienia jego stałych przemian i roli badacza jako kontrolera, lecz i częstokroć stymulatora tych zmian. Auksologia tę rolę, nie tylko informacyjną, lecz i światopoglądową spełnia zarówno względem nauk biologicznych, jak i społecznych, szczególnie jednak w psychologii i socjologii. Auksologia zajmuje się wzrastaniem i rozwojem jako immanentną właściwością organizmów żywych i relacjami ze środowiskiem zewnętrznym. Rozpatruje rozwój jako funkcję czasu. Sam zaś proces rozwoju osobniczego z punktu widzenia strategii ewolucyjnej jest sposobem na przeżycie osobnika (uzyskanie samodzielności jego organizmu) i gatunku (uzyskania zdolności do rozrodu i wychowania nowych pokoleń). Ontogeneza każdego osobnika i pokolenia jest więc cyklem w istnieniu i ewolucji gatunku.

Pewne działy auksologii powstały wcześniej niż inne. Tak jest z embriologią, traktującą o rozwoju zarodka. Dział ten bardzo ważny dla wielu dziedzin biologii uzyskał w XX wieku bardzo istotny postęp wobec nowych technik badawczych (przede wszystkim ultrasonografii, lecz także tomografii komputerowej, które umożliwiły badania płodów przyżyciowo, w łonie matki). Wyjaśnienie mechanizmów formowania się zarodka, rozwoju poszczególnych narządów i dalszego przebiegu rozwoju płodu ma olbrzymie znaczenie dla medycyny. Dlatego też ten właśnie dział, mimo znacznie większych trudności w prowadzeniu badań, jest może nawet lepiej poznany niż inne łatwe do obserwacji okresy rozwoju ontogenetycznego. Bardzo dobrze postawione są od dawna badania dzieci i młodzieży w wieku szkolnym, przypuszczalnie ze względu na możliwość prowadzenia badań w szkole. Rozwόj fizyczny (somatyczny, zwykle wysokości i masy ciała, jego proporcji) jest znacznie lepiej udokumentowany, aniżeli rozwόj czynnościowy, oraz z nim powiązany rozwόj psychomotoryczny. Stosunkowo dużo wiadomo o rozwoju niemowląt w pierwszym roku po urodzeniu. Opóźnione w stosunku do osiągnięć w badaniach dzieci szkolnych są obserwacje dzieci w wieku 1– 6 lat. Dopiero ostatnie lata przyniosły tu nasilenie badań.

Wobec wydłużenia się trwania życia ludzkiego wraz z rozwojem ochrony zdrowia, zdobyczy socjalnych, racjonalnego żywienia rozwija się w szybkim tempie dział badań dotyczących starości. Gerontologia zajmuje się procesami inwolucyjnymi, które są także przejawami rozwoju – w danym przypadku o charakterze regresywnym.

Odpowiednio do tych dwóch działów auksologii, w medycynie wyodrębnione zostały działy zajmujące się zapobieganiem i leczeniem chorób dzieci – jest to pediatria oraz profilaktyką starości i leczeniem chorób w tym wieku – jest to geriatria. Te właśnie dwa działy medycyny stymulowały szybki rozwój badań naukowych w dziedzinie auksologii z jednej strony, a gerontologii z drugiej. Profilaktyka dorosłych to przede wszystkim właściwa opieka lekarska nad dzieckiem. Zmniejszenie nakładów na opiekę nad niedołężnymi osobami w wieku senioralnym może przynieść właściwa opieka lekarska w całym poprzednim jego życiu. Wreszcie zapobieganie stanom chorobowym jest tym skuteczniejsze, im we wcześniejszym wieku zostaje podjęte. W tym jednak celu konieczne jest prowadzenie badań nad prawidłowym przebiegiem rozwoju – wiedząc, co jest prawidłowością, można wnioskować o pojawieniu się zaburzeń i likwidując przyczyny, leczyć chorobę i jej skutki upośledzające działanie organizmu na przyszłość.

Podsumowanie

W rozdziale tym omówiliśmy przesłanki do naukowych badań procesu rozwoju biologicznego człowieka. Wymieniliśmy szereg dyscyplin naukowych, które zajmują się wyjaśnianiem natury i mechanizmów procesów rozwojowych człowieka, m.in.: antropologię, biologię i ekologię, genetykę, auksologię i gerontologię, dla których spoiwem jest ewolucjonizm.

Postęp w nauce sprawił, że pragniemy wiedzieć więcej i dogłębniej zbadać interesujące nas zjawisko, czy wyjaśnić mechanizm określonego procesu. Na niektóre z zadawanych pytań nie sposób odpowiedzieć w ramach jednej dyscypliny. Coraz częściej podejmuje się badania, które przekraczają granice dyscyplin, wówczas badacze łączą się w zespoły wielodyscyplinarne. W badaniach bardziej zaawansowanych metodologicznie stosują podejście transdyscyplinarne. Podejście to przyzwala na przekraczanie granic dyscyplin naukowych w kontekście badanego zagadnienia celem całościowego (holistycznego) poznania problemu. Auksologia człowieka, ze swoim całościowym rozumieniem procesów rozwojowych takie możliwości stwarza.

Literatura uzupełniająca

Tanner J.M. A History of the Study of Human Growth. Cambridge: Cambridge University Press, 1981.

To książka napisana przez pioniera i mistrza auksologii, z którego prac czerpaliśmy wzorce. Jest kroniką kolejnych szczebli zdobywania wiedzy o wzrastaniu i rozwoju człowieka w jej historycznym ujęciu. Tanner opisuje głównie dokonania brytyjskich i amerykańskich badaczy, ale jest to ze wszech miar pouczająca lektura o tym jak rodziła się myśl naukowa, jak zmieniały się pytania badawcze i co z tego wynikło dla lepszego zrozumienia rozwoju osobniczego człowieka. Warto przeczytać.

The Cambridge Encyclopaedia of Human Growth and Development. S.J. Ulijaszek, F.E. Johnson i M.A. Preece (red.). Cambridge: Cambridge University Press, 1998.

Nie należy przerażać się objętością tej książki, albowiem są to hasła encyklopedyczne, które można sobie wybierać w dowolnej kolejności i w zależności od zainteresowań. Polecamy hasła: auksologia, wzrastanie, rozwój i inne.

Auxology: Studying Human Growth and Development. M. Hermanussen (red). Schweizerbart Science Publishers, Stuttgart, Germany, 2013.

Rozdział o genezie auksologii człowieka i historii badań w ramach tej dyscypliny (7.1. A Short History of the Study of Human Growth, s. 132–138) stanowi interesujące studium zainteresowań wzrastaniem człowieka poczynając od obserwacji własnego dziecka po badania naukowe w ramach auksologii człowieka.

Aspekty rozwoju

E nergia i materia są podstawą istnienia, ich stałe przenikanie się decyduje o tym, że nic nie istnieje bez zmian, stąd mówimy, że zmiany są immanentną właściwością materialnego świata. Wynika to zarówno ze względu na postacie występowania materii, ruch jej cząstek elementarnych w sensie fizycznym, jak i na fakt wieczności (niezniszczalności) materii i energii. Zmiany prowadzą do powstawania coraz to nowych form istnienia i wielkiej różnorodności przejawów świata materialnego. Pewien kierunek lub cykl takich przemian można nazwać rozwojem. Rozwój zaś może być traktowany jako stały postęp, ponieważ (pomijając pewne modele formalne, matematyczne lub logiczne) w przyrodzie, a szczególnie w świecie ożywionym, nie obserwujemy nigdy całkowitego powrotu do stanu wyjściowego. Rozwój może więc postępować po linii prostej, po drodze skomplikowanej licznymi zmianami kierunku, po spirali itd., z reguły jest jednak postępem w stosunku do stanu poprzedniego, jako inny stan (zestaw, porządek, typ związków, system strukturalno-funkcjonalny itd.). Ten postęp stwarza szansę przeżycia wobec zmian jakim stale ulega otaczające środowisko. Istota rozwoju wyższych organizmów żywych polega na doskonaleniu się struktur lub funkcji (zazwyczaj jednym zmianom towarzyszą te drugie), co prowadzi do nowych form organizacji. Wobec selekcjonującej roli czynników otaczającego środowiska, te nowe formy organizacji są zazwyczaj wyższymi formami, w świetle relacji między organizmami lub/i między organizmem a innymi elementami środowiska. U organizmów wyższych ten kierunek zmian prowadzi do uzyskania optymalnej samodzielności osobniczej i przedłużenia istnienia gatunku przez wydanie potomstwa. Początkowo w procesie ewolucji zasadniczą rolę odgrywała liczba potomstwa, potem ich właściwości zwiększające szansę przeżycia do okresu płodności. Człowiek w swym świadomym dążeniu do rozwoju przez postęp rozumie zarówno kształtowanie budowy i czynności swego organizmu, jak i zachowania kulturowe: kształtowanie środowiska i formowanie stosunków społeczno-ekonomicznych. Prowadzić to ma do optymalizacji warunków dla jak najdłuższego życia w zdrowiu (wydolności i sprawności psychicznej organizmu) i zadowoleniu. Zachowania kulturowe na wczesnych etapach rozwoju filogenetycznego człowieka, miały charakter zachowawczy. Starały się zabezpieczyć istniejący porządek rzeczy, stabilizować ekosystemy. Zachowania kulturowe zawsze zmierzały do takich działań zapobiegawczych, aby nie organizm musiał się zmieniać, lecz aby organizm zabezpieczyć przed koniecznością zmian (głównie biologicznych). Taki sens miała odzież chroniąca przed zmianami temperatury, narzędzie pomocne i wzmacniające rękę, ognisko, mieszkanie itd. Współcześnie człowiek w sposób świadomy kształtuje swoje środowisko, które uległo poza zamierzonymi także znacznym przemianom ubocznym związanym z urbanizacją i działalnością produkcyjną człowieka. W ten sposób następują zaburzenia ekosystemów i zagrożenia dla człowieka. To wszystko powoduje, że dzisiaj szczególnie ważne są badania nad zmianami zachodzącymi wraz z upływem czasu tak warunków środowiskowych, jak organizmu człowieka i jego populacji.

Człowiek zajmuje szczególną pozycję w grupie ssaków, co wynika z charakteru jego zachowań kulturowych będących wynikiem rozwoju mózgu oraz stopnia zmienności genetycznej. Znaczna zmienność genetyczna człowieka wyniknęła z narastania źródeł tej zmienności, zanikania izolacji międzypopulacyjnych w skali globalnej, przy jednoczesnym ograniczaniu presji selekcyjnej (doboru naturalnego) przez rozwój technik medycznych i innych przystosowań kulturowych. Istniejące obecnie zróżnicowanie genetyczne, ukształtowane w procesie ewolucji, zdaje się jednak przewyższać potrzeby przystosowania do ujednoliconego przez cywilizacje środowiska życia. Stąd w trakcie ontogenezy obserwujemy raczej zmniejszanie się fenotypowego zróżnicowania cech między populacjami.

Rozwój ontogenetyczny nie jest oczywiście procesem jednostajnym. Cechuje go wielka różnorodność tak pod względem zmian ilościowych, jak i jakościowych, pod względem poziomu na jakim przebiega i natężenia zachodzących procesów. Ontogeneza każdego organizmu danego gatunku jest podobna w sensie kolejno po sobie następujących ogniw pewnych specyficznych procesów. Kierunek tych procesów jest określony czynnikami odziedziczonymi i warunkami otaczającego środowiska. Zmiany ontogenetyczne prowadzą do ukształtowania się osobników przystosowanych do życia w danych warunkach i zdolnych do przedłużenia istnienia gatunku. Ogniwa tego łańcucha mogą się różnić w poszczególnych populacjach (a także u poszczególnych osobników w ramach populacji, co nie do końca jest poznane, np. dla okresu płodowego) swą długością, natężeniem i szybkością zachodzących procesów. Jak jednak wspomnieliśmy występują zwykle w tej samej kolejności u poszczególnych gatunków. Porządek ten został genetycznie utrwalony w procesie filogenezy i polega na okresowym stymulowaniu niektórych procesów biochemicznych. Odbywa się to na drodze neurohormonalnej. Zapewne istnieją tu także złożone mechanizmy samosterowania, oparte na sprzężeniach zwrotnych. Dotyczy to także relacji między posiadanym wyposażeniem genetycznym a substratami pozyskanymi z pożywienia.

• Rozwój osobniczy (ontogeneza, grec. oντογένεση, byt, będące, istniejące i pochodzenie) człowieka jest procesem całościowym – prowadzi do ukształtowania osobnika, którego cechy wzajemnie są ze sobą powiązane i tworzą zintegrowaną całość.

Dla zrozumienia działania organizmu człowieka nie wystarczy poznanie procesów właściwych poszczególnym komórkom, tkankom, a nawet organom czy układom. Komórki te i tkanki powstały i uformowały się w tym samym organizmie, przyczynowo lub współwystępowaniem się uzupełniając, eliminując, kształtując. Nasza sprawność fizyczna, zajmując określoną pozycję w skali zmienności populacji, stwarza określone wartości dla przeżycia i sukcesu w życiu i w ten sposób wpływa ona na kształtowanie również naszych właściwości psychicznych i stosunku do grupy. Podobnie nasze właściwości intelektualne, charakter czy temperament – determinując upodobania, aspiracje, wybór określonej drogi (w tym zawodu) wpływają na tryb życia, sposób żywienia się itd., co w relacji zwrotnej kształtuje nasze cechy biologiczne. Z nawyku jednak dzielącego naszą wiedzę o człowieku na różne dyscypliny z punktu widzenia opanowanych metod badawczych, a nawet światopoglądu – rozpatrujemy rozwój osobniczy z jednego tylko z możliwych punktów widzenia. Wpływa na to głównie trudność jednoczesnego śledzenia tak wielu procesów wzajemnie się przenikających. Stąd jedni badają kształtowanie się właściwości charakteru, inteligencji, postaw społecznych itp. przejawów psychospołecznego rozwoju. Inni większą uwagę przypisują obserwacjom kształtowania się osobowości biologicznej, czyli temu, co nazywamy rozwojem fizycznym. Ci, którzy są pod wpływem pierwszego sposobu spojrzenia na rozwój, a badają drugi – chętniej nazywają go rozwojem psychofizycznym. W praktyce i to ujęcie nie jest zazwyczaj kompletne. Dotyczy to zapewne i niniejszej książki.

• Pod pojęciem rozwoju fizycznego rozumiemy całokształt procesów biologicznych, a więc tak biofizycznych, jak i biochemicznych, które są właściwe organizmom żywym.

Używając tego terminu świadomie pomijamy sferę życia psychicznego człowieka, która jest nadbudową funkcjonalną wyższego piętra mózgu uważanego za najdoskonalszy produkt ewolucji materii ożywionej, bowiem posiadający świadomość własnego istnienia. Jest to jednak przedmiot kompetencji nauk społecznych, a niniejszy podręcznik oparty jest na biologiczno-medycznych aspektach auksologii. Psychologia stworzyła własne teorie rozwoju, istniejące równolegle obok siebie i każda z nich ma swych zwolenników, a także żadna z nich nie jest powszechnie przyjmowana. Jest to specyfiką tej dziedziny wiedzy, wskazującą na jej ciągle jeszcze małą sprawdzalność eksperymentalną. Na szczęście sytuacja taka nie występuje w naukach biologicznych, gdzie wprawdzie istnieją różne teorie czy nawet hipotezy wyjaśniające nieznane do końca mechanizmy zjawisk rozwojowych, nie ma jednak mowy o tym, aby mogły istnieć różne wykluczające się teorie rozwoju. W biologii procesy i zjawiska biologiczne wyjaśnia się w ramach paradygmatu ewolucyjnego. Wskazuje to także na bardziej kompleksowy sposób spojrzenia biologów na zjawiska rozwoju. Starają się oni już z racji swego światopoglądu widzieć różnorodność współistniejących przyczyn rozwoju i zdają sobie sprawę, że wobec mnogości czynników i mechanizmów – nie zawsze taki sam efekt musi być osiągnięty tą samą drogą rozwoju ontogenetycznego. Zdają sobie również sprawę z tego, że na każdy efekt składa się działanie wielu czynników, nawet, jeśli zmianie ulega tylko jeden. Być może, że właśnie teorie rozwoju psychicznego tylko pozornie wykluczają się wzajemnie, a w rzeczywistości opisują różne mechanizmy i przyczyny tego samego procesu ontogenezy. W tym sensie byłyby one tylko różnymi aspektami rozwoju.

Łatwiej jest sprecyzować te aspekty, które dotyczą rozwoju fizycznego. Mając na uwadze na przykład rozwój aparatu ruchu (kośćca, stawów, mięśni, pewnych części układu nerwowego), aspekt biologiczny to strukturalne i funkcjonalne zmiany, jakie zachodzą wraz z wiekiem łącznie z przejawem całościowym, zwanym motoryką. Natomiast rozwój motywacji, a nawet wyobrażenia ruchu wchodzą już w zakres zainteresowań psychologii, dotyczą bowiem rozwoju psychiki. Poziomem aktywności ruchowej związanym z odrębnościami etnicznymi i rozwojem społeczno-ekonomicznym grupy zajmuje się socjologia i etnologia (antropologia kulturowa). To samo dotyczy wszystkich innych układów organizmu, bowiem obok podłoża biologicznego mają one aspekty psychiczne i kulturowe. Łatwo to zaobserwować na przykładzie rozwoju układu pokarmowego i jego związków ze sferą doznań psychicznych, tradycji żywieniowych itd. Na tle powyższych przykładów jasnym się staje, dlaczego rozwój fizyczny bywa zamiennie nazywany rozwojem biologicznym i ten ostatni termin zyskuje sobie coraz więcej zwolenników. Wyraźniej precyzuje on sferę zjawisk, które obejmuje i rozdziela od pozostałych. Tak więc, w niniejszej książce skupiać się będziemy na biologicznych/fizycznych aspektach rozwoju ontogenetycznego człowieka.

Blok 2.1.

Rozwój biologiczny człowieka: koncepcja, definicja, zasady, cechy rozwoju

Początek rozwoju organizmu ludzkiego wyznacza połączenie się komórki płciowej żeńskiej (oocytu II. rzędu) i komórki płciowej męskiej – plemnika w procesie zapłodnienia. Zapłodnienie stanowi moment przełomowy w ciągłym procesie życia, ponieważ w normalnych warunkach, gdy chromosomy męskiego i żeńskiego przedjądrza mieszają się w oocytach, powstaje nowy, genetycznie odrębny organizm ludzki. Aktywacja genomu zarodka (ma miejsce w stadium 4–8 blastomerów po około 2–3 dniach od zapłodnienia) determinuje progresywne zmiany rozwojowe, w wyniku których w określonym czasie z pojedynczej komórki – zapłodnionej komórki jajowej, powstaje złożona, dojrzała forma. Wzorzec zmian rozwojowych jest taki sam dla każdego organizmu, stanowi odwzorowanie ewolucyjnie uformowanego wzorca charakterystycznego dla gatunku oraz wyraz powszechności rozwoju (właściwość wszystkich organizmów żywych). Równocześnie, interakcje genów i środowisk, w których przebiega rozwój organizmu sprawiają, że jest on realizowany w indywidualny, niepowtarzalny sposób.

Rozwój jest immanentną cechą organizmów żywych. Istotą tego procesu są zmiany zachodzące w ciągu ich życia osobniczego, od poczęcia do śmierci. By dane zjawisko miało charakter zmiany rozwojowej powinno prowadzić do trwałych przekształceń struktury i funkcji (np. narządu, organizmu) i osiągnięcia wyższego stanu organizacji, a w konsekwencji umożliwić przystosowanie do zmieniających się warunków w środowisku życia.

Rozwój to zmiany wielkości, kształtu i funkcji postępujące w czasie życia organizmu, poprzez które jego potencjał genetyczny (genotyp) zostaje przełożony na funkcjonujące dojrzałe układy (fenotyp) (Encyclopaedia Britannica, https://www.britannica.com/science/ biological-development. Dostęp: styczeń 2018). Jest to zbiór zjawisk, które odzwierciedlają działanie mechanizmów kontroli biologicznej. Mechanizmy te podlegają wpływom genetycznym i środowiskowym, a ich ekspresję charakteryzuje zmienność chronometrażu (momentu ontogenezy, w którym się ujawniają), stopniu nasilenia i długości trwania.

Rozwój biologiczny (fizyczny) składa się z trzech grup odrębnych jakościowo procesów: wzrostu, różnicowania i dojrzewania.

Wzrost polega na przewadze procesów anabolizmu materiałów budulcowych nad ich katabolizmem. Może być rozumiany jako powiększanie się wymiarów organizmu żywego lub jego części (np. narządów, odcinków ciała) na skutek asymilacji owych materiałów budowlanych i polega na: (1) syntezie substancji specyficznych dla danego gatunku, (2) powielaniu identycznych elementów, (3) procesach reprodukcji komórek, (4) zwiększaniu się organizmu jako całości, (5) formowaniu się kształtów i proporcji, (6) reagowaniu na czynniki powodujące wzrastanie, które są po części właściwością organizmu (geny, hormony, procesy starzenia i różnicowania), a po części jego środowiska (żywność, witaminy, ciepłota, przestrzeń życiowa, gęstość populacji itp.). Oznacza to, że wzrost obejmuje wszystkie strukturalne i fizjologiczne zmiany, które zachodzą w organizmie jako całości lub którejkolwiek z jego części, a wzrost fizycznych wielkości (rozmiarów, masy) można zmierzyć.

Wzrost jednostki obserwowany w życiu postnatalnym, jak wykazały codziennie wykonywane pomiary długości/wysokości ciała, nie jest procesem liniowym ani ciągłym. Występuje sezonowość wzrostu i dojrzewania. Proces wzrostu przebiega pulsacyjnie, okresy wzrostu (ang. saltation) przeplatane są okresami zastoju (ang. stasis).

Różnicowanie to proces zmian strukturalnych i funkcjonalnych (różnicowanie morfologiczne, biochemiczne, czynnościowe), które zachodzą na wszystkich poziomach organizacji organizmu żywego: w komórkach (cytogeneza), tkankach (histogeneza), narządach (organogeneza) i w całym organizmie (typogeneza).

Dojrzewanie polega na wykształcaniu się specyficznych funkcji narządów i układów, dostrajaniu się ich funkcji w ramach organizmu i kompensacji. W ten sposób rozwija się w pełni zintegrowana, dojrzała forma zdolna do podjęcia genetycznie zaprogramowanych czynności życiowych.

Rozwój może być progresywny (np. rosnący organizm podczas wzrostu zwiększa rozmiary i masę), ale może być również regresywny (np. inwolucja narządów rozumiana jako postępujące z wiekiem pogorszenie ich funkcji utrudniające utrzymanie homeostazy).

Zasady rozwoju

Interakcje genów ze zmiennymi w toku ontogenezy warunkami środowiska.

Progresywność, rozwój przebiega w wielu kierunkach, ale zmianami rozwojowymi są tylko takie, które wyrażają osiąganie organizacyjnie wyższych poziomów w formowaniu w pełni zintegrowanego, biologicznie dojrzałego organizmu zdolnego do zapoczątkowania życia nowego pokolenia.

Ciągłość, zmiany rozwojowe zachodzą zgodnie z ewolucyjnie uformowanym wzorcem rozwoju, co pozwala przewidywać naturę przemian w cyklu życia następnych pokoleń.

Ukierunkowanie, zmiany rozwojowe (np. struktur, funkcji) implikują jakościowe przekształcenia przebiegające w sekwencji charakterystycznej dla gatunku i z natury nieodwracalnej.

Sekwencyjność, rozwój postępuje zgodnie z uporządkowaną sekwencją, albowiem każdy gatunek ma specyficzny dlań wzorzec rozwoju o określonej kolejności następujących po sobie etapów rozwojowych, które każdy osobnik realizuje we właściwym sobie tempie.

Etapowość (stadialność), ciągły proces rozwoju można podzielić na następujące po sobie okresy rozwoju (fazy, stadia) wyróżnione według określonych kryteriów morfologicznych, fizjologicznych, funkcjonalnych i behawioralnych.

Zmiany przebiegają od ogółu do szczegółu – najpierw rozwijają się ogólne właściwości, a dopiero na ich bazie właściwości szczegółowe: w kierunku od głowy do stóp – prawo cefalokaudalne i od linii środkowej ciała na zewnątrz – prawo proksymalno-dystalne.

Zróżnicowanie indywidualne, wzorzec i sekwencje rozwojowe są takie same dla każdego człowieka (uformowane ewolucyjnie), jednak indywidualne tempo rozwoju sprawia, że czas wystąpienia, trwanie i natężenie zmiany jest charakterystyczne dla każdego człowieka.

Ilościowe cechy rozwoju

Kinetyka rozwoju to poziom i kierunek zmian, np. cechy biologicznej; może być wyższy lub niższy od poziomu przeciętnego dla płci lub określonego wieku.

Dynamika rozwoju to wielkość zmian w czasie.

Tempo rozwoju to wielkość zmian w jednostce czasu.

Rytm rozwoju oznacza przyspieszanie lub zwalnianie tempa zmian ontogenetycznych w kolejnych okresach.

Rozmach rozwoju oznacza wielkość zmian w rozwoju postnatalnym (po urodzeniu) względem wielkości właściwej osobnikowi dorosłemu; jest on wyrażany w procentach wielkości ostatecznej, często maksymalnej lub najlepszej w procesie ontogenezy.

Rozwój pulsacyjny polega na kilkunastodniowych zahamowaniach i jednodobowych skokowych przyrostach wymiarów ciała; tylko częściowo wynika on z rytmu rozwoju, bowiem wielkość, lecz nie częstotliwość, skokowych miniprzyrostów jest związana z ogólnym tempem rozwoju w danym okresie; jest incydentalny, tzn. nie są to równie długie okresy zahamowań i miniskoków, są one różne w czasie kolejnych pulsacji u tego samego lub u różnych osobników.

Dymorfizm płciowy w rozwoju biologicznym człowieka to dwukierunkowe zróżnicowanie cech morfologicznych, fizjologicznych, funkcjonalnych i behawioralnych w zależności od płci męskiej i żeńskiej w określonych stadiach/etapach/fazach ontogenezy.

W latach 70. XX w. uporządkowano terminologię i przedstawiono jednoznaczne pojęcia, stosując jednak terminy używane poprzednio niejednoznacznie. Prezentuje je tabela 2.1.

Tabela 2.1. Biologiczne aspekty rozwoju osobniczego (ontogenezy)

A. Materialne aspekty jakościowe rozwoju fizycznego

1. Wzrastanie (powiększanie się ciała)

a. Rozrost (zwiększanie się wymiarów i masy tkanek)

b. Rozplem (mnożenie się liczby komórek)

2. Różnicowanie (doskonalenie struktury)

3. Dojrzewanie (doskonalenie funkcji)

a. Specjalizacja (kształtowanie się specyficznych funkcji narządów i układów)

b. Integracja (dostrajanie się funkcji w ramach organizmu i zjawiska kompensacji)

4. Postęp w sensie doskonalenia organizacji organizmu jako systemu

Tabela 2.1. cd.

B. Materialne aspekty ilościowe rozwoju fizycznego

1. Kinetyka (poziom, na jakim rozwój przebiega)

2. Rozmach (wielkość zmian względem wyjściowej [ew. urodzeniowej lub maksymalnej]

wielkości cechy)

3. Dynamika (szybkość i zmiany tempa [przyspieszenia lub spowolnienia] rozwoju)

4. Rytm (kolejność występowania odmiennego kierunku i szybkości rozwoju)

C. Energetyczno-informacyjne aspekty rozwoju fizycznego

1. Energetyka (źródła energii i koszt energetyczny działalności organizmu)

2. Informatyka (źródła, charakter i mechanizmy przekazywania informacji)

3. Metabolika (mechanizmy stymulacji i charakter przemiany energii)

4. Dystrybucja (ekonomika – sposób wykorzystania energii i materii)

Wzrost, czyli zwiększanie się rozmiarów i masy tkanek, narządów, całego organizmu to proces samorzutny, ale występuje w konkretnej sytuacji wewnętrznej organizmu (pokrycia podstawowych potrzeb energetycznych) i w konkretnych warunkach środowiskowych (dostatecznej podaży żywności). Powiększanie się masy i/lub wielkości tkanek odbywa się kosztem materii niżej zorganizowanej, jaką stanowią substancje chemiczne uzyskane w postaci pokarmu. Proces ten nazywamy rozrostem. Rozrost polega na zwiększaniu się wymiarów ciała i jego masy. Ten przyrost zazwyczaj jest osiągany na drodze akumulowania nadwyżek wyprodukowanych substancji, jako efekt większego pozyskania materii niż jej zużycia i utraty. Rozrost dotyczy tak poszczególnych tkanek czy narządów, jak i organizmu jako całości. Są to więc zmiany ilościowe, bez zmian organizacji struktury, które polegać mogą na zwiększaniu się wymiarów i/lub masy komórek, zwiększaniu się substancji międzykomórkowej (ryc. 2.1).

Ryc. 2.1. Trzy możliwości rozrostu tkanki

Rozplem to powstawanie nowych komόrek, czyli mnożenie się na drodze powielania kwasu deoksyrybonukleinowego i podziału komórek. W zasadzie komórki nie musiałyby być podobne do poprzednich, lecz zazwyczaj ma to miejsce na skutek genetycznej kontroli tego procesu (ryc. 2.2) w okresie postembrionalnym. Specyficzne dla okresu zarodkowego, szczególnie jego wczesnych faz, jest powstawanie nowych komórek odmiennych od macierzystych – mimo posiadania takiego samego wyposażenia genetycznego, a nawet jego ilościowej i jakościowej identyczności. Proces ten znajduje się pod kontrolą genόw homeotycznych, o czym będzie mowa w rozdziale dotyczącym genetycznej determinacji procesów rozwojowych.

Ryc. 2.2. Wzrastanie polega na kolejnym lub jednoczesnym rozplemie i rozroście

Każda komórka z biegiem czasu musi ulec renowacji na skutek zniszczalności jej struktur i zmian składu chemicznego. Dokonuje się to na drodze podziału, zwanego mitotycznym, na komórki potomne, które zaczynają życie niejako od nowa. Jednak nie wszystkie tkanki i nie w całym okresie ontogenezy są zdolne do podziałów mitotycznych. W tych, które nie mają w danym okresie zdolności podziału, ma miejsce renowacja na poziomie submolekularnym i molekularnym struktur wewnętrznych i składu chemicznego. Przykładem takich zmian jest np. miozyna stale ulegająca rozpadowi i syntetyzowana we włóknach mięśniowych. W siatkówce stałej renowacji ulegają fotoreceptory. O ile dane zmiany nie są możliwe komórka ginie.

W niektórych komórkach mają miejsce procesy powielania struktur wewnętrznych (organelli lub jąder) komórek bez występowania podziału mitotycznego. Niektóre z komórek wykazują zwiększanie masy lub wielkości tylko do pewnej wielkości maksymalnej, na skutek wzrostu masy cytoplazmy, po czym musi mieć miejsce podział komórek lub zahamowanie wzrostu. Jak więc widać, rozplem jest tylko jedną z dróg rozwoju wielkości i masy tkanek. Rozplem na drodze podziału mitotycznego może mieć miejsce po rozroście i wówczas służy redukcji masy komórkowej (ryc. 2.2). Częściej jednak początkowo ma miejsce zwiększanie się liczby komórek, potem maleje tempo ich podziałów i zaczyna się zwiększanie wielkości komórek. Rozplem jest procesem typowym zarówno dla procesów rozwoju ontogenetycznego, jak też i procesów odnowy tkanek ulegających zużyciu, wreszcie regeneracji tkanek utraconych z innych powodów (np. ran). Tkanki, które nie odnawiają się, wzrastają poprzez zwiększanie się liczby komórek lub wielkości poszczególnych z nich. W związku z tym można wyróżnić komórki o różnym typie rozplemu (ryc. 2.3).

Ryc. 2.3. Trzy typy tkanek wymienialne, statyczne i ekspansywne

Statyczne – podlegające rozplemowi tylko w pewnych stadiach rozwoju ontogenetycznego, a następnie trwające tak długo, jak długo istnieje cały organizm. Komórki tego typu tracą więc (zazwyczaj na krótko przed lub po urodzeniu się osobnika) zdolność do podziałów mitotycznych. Dotyczy to komórek układu nerwowego (neuronów), włókienek mięśni prążkowanych szkieletu i komórek rozrodczych jajnika.

Ekspansywne – potencjalnie stale zdolne do rozplemu, który jednak ma miejsce w określonych warunkach lub okresach. Dotyczy to tkanek łącznych wątroby, nerek, gruczołów dokrewnych, a częściowo niektórych innych.

Wymienialne – niestałe, w związku z krótkim okresem trwania podlegające wymianie na nowe. Dotyczy to naskórka i jego pochodnych, nabłonka, śluzówki macicy, komórek rozrodczych jąder i częściowo tkanki krwiotwórczej (krwinek).

Nie wszystkie typy tkanek dają się podporządkować powyższym grupom, niektóre zajmują pozycję pośrednią, łącząc właściwości dwóch grup. Mięśnie gładkie łączą pewne właściwości grupy statycznej i ekspansywnej. Kora nadnerczy oraz tkanka kostna, wykazuje pewne właściwości wspólne grupie tkanek ekspansywnych i wymienialnych. Soczewka oka wykazuje pewne właściwości pośrednie grupy statycznej i wymienialnej.

Odnawianiu lub wymianie ulegają komórki podlegające zniszczeniu w związku z pełnioną przez nie funkcją. Stałe są te komórki, których istnienie z określonym zasobem informacji i „doświadczeń” jest istotne dla organizmu. Komórki ekspansywne pełnią zazwyczaj funkcje metaboliczne, pozostałe dwie grupy fizyczne (kurczenie się, przewodzenie bodźców, transport tlenu). Jest przy tym istotne, że tkanki szczególnie ważne dla istnienia organizmu najmniej się zmieniają. Przedstawione uporządkowanie ma swoje głębokie uzasadnienie w przebiegu ewolucji, stanowi wyraz przystosowania filogenetycznego i zostało utrwalone na drodze ogólnej regulacji genetycznej.

Tempo podziału komórkowego regulowane jest w wyniku złożonych interakcji genów i środowiska, w tym przez: kod genetyczny zapisany w sekwencji nukleotydów DNA, wytworzone białka, wpływy cytoplazmy komórki; czynniki zarówno fizyczne (np. temperatura), jak i chemiczne (np. hormony), które mogą mieć znaczenie pobudzające lub hamujące, a niekiedy i jedne i drugie, zależnie od poziomu (natężenia) tego samego czynnika chemicznego we krwi lub tkankach; niedostateczną dostępność substancji wyjściowych do budowy komórek danej tkanki, skąd wynikają zazwyczaj zahamowania rozwoju z racji niedożywienia lub nieodpowiedniego żywienia.

Wzrastanie to jednoczesny proces rozrostu i rozplemu, a więc proces zwiększania się wielkości i/lub masy oraz liczby komórek danej tkanki (por. ryc. 2.2). Terminem wzrastanie ująć więc można także ogólne zjawisko powiększania się ciała bez identyfikacji jaki charakter procesów do tego doprowadził. Jest to zatem pojęcie bardziej ogólne i mniej jednoznaczne niż dwa poprzednio wymienione.

Wzrastanie każdej tkanki ma swą specyfikę. W procesach wzrastania (szczególnie rozplemu) należy odróżnić procesy rozwoju ontogenetycznego od procesów podtrzymywania życia, aczkolwiek mogą one być podobne pod względem mechanizmów i wyzwalających je czynników. Wzrastanie tkanek wskazuje na wyraźny związek struktury i funkcji, funkcje komórek decydują bowiem o ich budowie i tempie rozwoju, te ostatnie limitują funkcje. Wyjątek stanowi tu okres zarodkowy, gdzie formowanie się struktur wyprzedza późniejsze funkcje. Jest to jednak proces zapewne utrwalony w procesie ewolucji w postaci specjalnego zespołu genόw, głównie homeotycznych.

Rozplem dla podtrzymania życia zazwyczaj polega na bardzo szybkim namnażaniu nowych komórek, np. ciałek krwi lub nabłonka jelit, w miejsce komórek ginących. Zjawiskiem rozwoju ontogenetycznego jest natomiast przekształcanie się danej tkanki czy to pod względem jej masy, czy liczby komórek, wreszcie struktury i organizacji. W tym więc sensie nie jest procesem rozwoju ontogenetycznego tzw. rozrost roboczy (tj. przerost tkanek – głównie mięśniowej, kostnej i innych pod wpływem wykonywanych funkcji) polegający głównie na wzroście masy, któremu zazwyczaj nie towarzyszy rozplem komórek. Nie jest zazwyczaj objawem rozwoju ontogenetycznego zwiększanie się tkanki tłuszczowej pod wpływem nadmiernego spożycia pokarmów, chociaż nagromadzenie się odpowiedniej tkanki tłuszczowej i jej rola w aktywności hormonalnej ma znaczenie dla dojrzewania płciowego. Zjawiska wymiany komórek (ginięcia jednych, a na ich na miejsce powstawanie nowych) także nie są jako takie procesami rozwoju ontogenetycznego, podobnie jak nie jest zjawiskiem rozwoju ontogenetycznego proces regeneracji tkanek. Tu właśnie w zrozumieniu zjawiska pomaga pojmowanie rozwoju jako postępu. Rozwój ontogenetyczny to taki proces mnożenia się komórek, który prowadzi do nowych stanów, a nie tylko odbudowy zniszczonych struktur bądź przerostu istniejących.

Komórki wzajemnie oddziałują na siebie, stąd istotna jest pozycja poszczególnych komórek względem siebie. Oddziaływanie to może być biofizyczne, jak i biochemiczne, można je rozumieć jako proces wzajemnej wymiany informacji co do położenia i aktywności. W dalszym rozwoju niektόre tkanki wydzielają substancje (czynniki kontrolujące wzrost, w tym hormony) tak pobudzające (stymulatory), jak i hamujące (inhibitory) rozwój. Substancje te działają lokalnie lub dostają się do krwi i krążą wraz z nią po całym organizmie działając w zasadzie tylko na pewne komórki. Na niektóre substancje mogą być wrażliwe komórki określonej tkanki tylko lokalnie, na pewnych obszarach lub w całym organizmie, ale owa wrażliwość może występować okresowo. Pewne z pobudzonych czy stymulowanych tkanek mogą jednak oddziaływać na inne, a więc stymulacja niektórych tkanek może następować drogą pośrednią. Zagadnienia te omόwione są bardziej szczegόłowo w rozdziale poświęconym układowi endokrynnemu i czynnikom stymulującym wzrastanie.

W procesach rozwoju ma znaczny udział układ nerwowy, bogate unerwienie okazuje się być przekaźnikiem stymulacji rozwoju, a zanik nerwów powoduje atrofię danych narządów lub tkanek (np. kubków smakowych i ślinianek). Działanie układu nerwowego może być poszerzone przez działania hormonów. Wydzieliny gruczołów dokrewnych na drodze chemicznej rozszerzają więc działalność regulacyjną układu nerwowego. Mówimy wtedy o kontroli neurohormonalnej. Niekiedy hormony i elektrolity krążące we krwi działają na kilka różnego typu tkanek, niekiedy ściśle wybiórczo na pewien narząd czy tkankę. Zależy to od tego czy ów narząd czy tkanka posiada receptory wrażliwe na dany bodziec.

Istnieją także lokalnie działające bodźce mechaniczne stymulujące rozwój tkanek i narządów. Są nimi bodźce ruchowe dla mięśni, naprężenia tkanki dla kości i więzadeł, hydrostatyczne ciśnienie dla serca, naczyń krwionośnych, moczowodów i pęcherza, itd.

Rozwój tkanek jak te, które wchodzą w skład płuc, nerek czy wątroby, jest regulowany przez funkcje pełnione przez te narządy.

Tempo rozwoju i wielkość narządόw jest skutkiem regulacji na poziomie organizmu dwóch skrajnych kierunków oddziaływań powodujących stymulowanie i hamowanie procesόw wzrastania, jest skutkiem pewnego rodzaju mediacji między procesami hipertrofii (przerostu) i atrofii (uwsteczniania, a nawet zanikania) tkanek.

Omówione wyżej zjawiska prowadzą do bardzo złożonego efektu, jakim jest proces różnicowania (ryc. 2.4). Aczkolwiek w zasadzie wszystkie tkanki rozwijają się stale, jest to tylko pozornie rozwój równoległy. Rozwój ten jest raczej równoczesny, bowiem każda tkanka i każdy narząd ma swoje własne tempo rozwoju, aczkolwiek są one koordynowane w skali całego organizmu procesami nadrzędnymi. Różnicowanie obejmuje następujące rodzaje zjawisk rozwojowych: przebudowę struktur komórek i tkanek, czyli cytogenezę i histogenezę; grupowanie się tkanek w określone układy i narządy, czyli organogenezę, wreszcie dostrajanie się poszczególnych układów i narządów do pozostałych i formowanie się ogólnych kształtów i proporcji organizmu, czyli typogenezę.

Ryc. 2.4. Proces różnicowania tkanek zazwyczaj łączy się ze wzrastaniem

Budowa i kształt ciała młodego osobnika dorosłego jest rezultatem całokształtu opisanych powyżej zjawisk wzrastania i różnicowania, a szczególnie odmiennego tempa wzrostu poszczególnych tkanek i części ciała. Oczywiście należy pamiętać, że proces rozwoju jest efektem realizacji programu genetycznego w zaistniałych warunkach środowiska, w szczególności sposobu żywienia. W późniejszym wieku mogą następować dodatkowo procesy deformujące na skutek nieprawidłowego żywienia, nadmiernego obciążenia pracą fizyczną itp. Rozwój regulowany jest poprzez kontrolę genetyczną i sterowanie neurohormonalne na poziomie ustroju (organizmu) jako całości, co zapewnia sprawność całego systemu, jakim jest organizm, względem wymogów środowiskowych.

Proces różnicowania nazwać można doskonaleniem się struktury. Doskonaleniu struktury nie musi towarzyszyć doskonalenie się funkcji, zwane dojrzewaniem. Dopiero jednak uzyskanie właściwych funkcji (specjalizacja) poszczególnych narządów, tkanek i części ciała oraz dostrojenie się funkcji poszczególnych układów w ramach całego ustroju (integracja) stanowi o ich dojrzałości. Doskonalenie funkcjonalne (dojrzewanie) zazwyczaj wiąże się lub wynika z doskonalenia strukturalnego (różnicowania) – jednak są to procesy po sobie następujące lub równoległe i w pewnymi stopniu od siebie niezależne (ryc. 2.5). Inaczej mówiąc, wiadomo, że funkcje wpływają na kształtowanie struktury, a budowa w znacznym stopniu wyznacza możliwe funkcje. Nie jest to jednak zależność wyłączna, dlatego zjawiska te jako przejawy procesów rozwoju ontogenetycznego należy wyraźnie rozdzielić.

Procesy różnicowania i dojrzewania (zazwyczaj zachodzące na tlę procesów wzrastania) prowadzą do zapewnienia homeostazy systemu, jakim jest organizm jako całość. Ten proces strukturalno-funkcjonalnego doskonalenia organizmu może być, rozumiany jako postęp we wzajemnych stosunkach ustrój żywy-środowisko. Inaczej mówiąc, następuje dostrojenie organizmu do środowiska, łącznie stanowią one ekosystem. U człowieka dochodzi tu element kulturowego dostosowywania systemu środowiskowego do potrzeb organizmu. Doskonalenie budowy i funkcji organizmu prowadzi to do optymalnej niezależności osobnika (jej częścią jest homeostaza – względna stałość środowiska wewnętrznego) wobec istniejących warunków środowiska biogeograficznego.

Ryc. 2.5. Doskonalenie struktury (różnicowanie) i funkcji (dojrzewanie)

• Homeostaza oznacza dynamiczną stałość systemu. Tak komórka, jak i organizm jako całość są systemami otwartymi. W przypadku organizmu chodzi tutaj o stabilność środowiska wewnętrznego organizmu. Wobec faktu, że organizm jest systemem autonomicznym, ale otwartym względem środowiska zewnętrznego, homeostaza wewnętrzna musi być związana ze stabilnością relacji ze środowiskiem zewnętrznym. Stałość środowiska wewnętrznego zapewnia jego niezależną egzystencję. Można także mówić o homeostazie systemu organizm-środowisko (w gruncie rzeczy ekosystemu). Z wiekiem i zmianami rozwojowymi następują stałe przestrojenia w systemie jakim jest organizm i uzyskiwane są kolejne stany równowagi. Wobec ciągłych zmian środowiska zewnętrznego jest to rόwnież proces ciągłych regulacji powiązań organizmu ze środowiskiem. Łącznie jest to więc równowaga rozwojowa, zwana homeorezą.

Procesy różnicowania i dojrzewania podlegają znanej prawidłowości zwanej etapowością (lub stadialnością) rozwoju. Bez osiągnięcia odpowiedniego stadium rozwoju danego układu czy organizmu jako całości nie jest możliwe osiągnięcie następnego etapu, który jest wyższym szczeblem rozwoju. Kolejne etapy mogą się różnić u poszczególnych osobników długością ich trwania, natężeniem i szybkością zmian, ale mimo to zachowana zostaje opisana kolejność stadiόw ontogenezy. Jak już wspominaliśmy, kolejność ta uwarunkowana jest genetycznie w bliżej nieznany nam sposób, jako zintegrowana koncentracja osiągnięć poprzednich pokoleń w procesie ontogenezy każdego z nich, uporządkowanych przez czynniki decydujące o przebiegu filogenezy. Stadialność rozwoju wyraża się między innymi kolejnością przejawów ontogenezy, na przykład wyrzynaniem się zębów. Na tym przykładzie wiadomo, że istnieć mogą pewne zmiany w owej kolejności. Przemiany te, będące ogólnymi tendencjami ewolucyjnymi, obserwowane są niekiedy w ciągu kilkudziesięciu pokoleń. Jednak mikroewolucja dotycząca zmiany kolejności wyrzynania się pierwszego trzonowca i przyśrodkowego siekacza rozgrywa się nieomal na naszych oczach. Mechanizmy regulujące kolejność włączania się pewnych procesów w ontogenezie nie są dokładnie poznane. Prawdopodobny mechanizm może być natury genetycznej, drugi mógłby polegać na samosterowaniu systemowym. Być może, że dojrzewanie pewnych struktur wyzwala niektόre dalsze zmiany, hamuje inne zmiany, oraz tworzy nowe stany lokalne lub całościowe organizmu (ryc. 2.5 i 2.6). Rozwój jest zapewne regulowany na poziomie ogólnym, to tylko bowiem może zapewnić homeostazę systemu, jakim jest organizm jako całość. Wiadomo również, że mimo tej regulacji na poziomie ogólnym rozwój nie jest procesem ciągłym w sensie jednostajności tempa zmian ontogenetycznych oraz jednoczesności zmian poszczególnych tkanek, organów i układów. To właśnie zjawisko ujmuje etapowość (stadialność) rozwoju.

Powyżej przedstawiono jakościowe aspekty rozwoju: wzrastanie, różnicowanie, dojrzewanie, postęp. Już przy tej okazji wspominano zjawisko zróżnicowanego tempa rozwoju i związanych z tym aspektów ilościowych (por. tab. 2.1). Jeden osobnik może być w czasie badanego okresu rozwoju stale wyższy od drugiego, ich rozwój będzie więc postępował w jakimś stopniu równolegle, jednak na innym poziomie. Opis tego zjawiska ujmuje aspekt kinetyczny. W auksologii kinetyka opisuje poziom, na jakim rozwój przebiega, nie wnikając w zróżnicowanie szybkości zachodzących procesów.

Innym sposobem ilościowego ujęcia zjawiska rozwoju jest analiza wielkości przyrostów jako funkcji czasu. Jest to aspekt dynamiczny. Porównując wielkość przyrostów np. miesięcznych czy rocznych stwierdzić możemy, że jeden osobnik rozwija się szybciej, a inny wolniej. Nie musi to wynikać z poziomu, na jakim rozwój przebiega (kinetyki), jednak do zmiany tego poziomu prowadzi. Szybkość (tempo) rozwoju może być (i zazwyczaj jest) zróżnicowane w czasie – to znaczy może się ono nasilać lub zmniejszać. Ten aspekt zwany jest przyspieszeniem rozwoju. Przyspieszenie może być pozytywne (o ile przyrosty cechy w takich samych odcinkach czasu narastają) lub negatywne (o ile przyrosty kolejno maleją). Zarówno jednak przyspieszenia pozytywne, jak i negatywne mogą być zwiększające się (przy tzw. wzroście wykładniczym) lub zmniejszające się (ryc. 2.7).

Ryc. 2.6. Schematyczny obraz dróg rozwoju tkanek z uwzględnieniem pięciu jego etapów (ryc. oryginalna)

Ryc. 2.7. Krzywe rozwojowe: kinetyki zmian (A), dynamiki zmian przyrostów lub tempa rozwoju (B) i przyspieszeń lub rytmu rozwoju (C). Oznaczenia: y = wielkość cechy, t = czas (wiek), d = różnice (przyrosty wielkości dy lub czasu dt). Krzywe pokazują różne aspekty ilościowe rozwoju: kinetykę, tempo i rytm

Gdy analizujemy dynamikę rozwoju, interesuje nas wielkość zmian różnych cech u osobnika (lub tej samej cechy u różnych osobników) względem wielkości wyjściowej. Taki sposób pozwala na porównywanie cech różnych pod względem wielkości lub znaczenia (wymiar liniowy, pojemność, masa). Często odnosimy w ten sposób wielkość zmian różnych wymiarów ciała względem wielkości urodzeniowej lub wielkość urodzeniową wyrażamy względem wielkości właściwej osobnikowi dorosłemu. Wiemy stąd, że u noworodka np. masa ciała wynosi około 5% wielkości właściwej osobnikowi dorosłemu, podczas gdy wysokość ciała około 30%, a szerokość głowy około 60%. W ten sposób łatwo jest obliczyć, że w rozwoju postnatalnym do osiągnięcia szczytowego rozwoju masa ciała wzrasta około 95%, wysokość ciała około 70%, a szerokość głowy tylko 40%. Ten aspekt zmian nazywamy rozmachem rozwoju. To ogólne tempo rozwoju dotyczy jednak nie tylko wymiarów ciała, lecz i dojrzewania, tak więc np. pewne dziewczęta dojrzewają w wieku 12 lat, podczas gdy inne dopiero w wieku 15 lat. Jest to przejawem ogólnego tempa rozwoju – jednak w nieco innym sensie niż omawiane zmiany wielkości, do których jednakże ogólne tempo zmian prowadzi.

Tempo rozwoju może być zróżnicowane w czasie, wiadomo, że jest szczególnie szybkie w okresie rozwoju zarodka, nieco mniejsze w okresie płodowym i dalej maleje w okresie pierwszych lat po urodzeniu, aby ponownie ulec nasileniu pod koniec fazy dziecięcej oraz w okresie dojrzewania (ryc. 2.7). To następstwo nasilania i zmniejszania się szybkości rozwoju, które jest także pewną specyfiką rozwoju ontogenetycznego – nazywamy rytmem rozwoju. W analizie rytmu ważne jest jednak nie tylko tempo rozwoju, lecz i kierunek zmian – ta sama szybkość zmian może być skierowana dla przyrostu cechy lub zmniejszenia się jej wielkości (nie dotyczy to oczywiście wymiarόw, np. szkieletu w okresie rozwoju progresywnego, ale dotyczy już tkanek miękkich). Nie ma tu zasadniczego znaczenia poziom, na jakim rozwój przebiega, stąd poszczególni osobnicy mogą się różnić wysokością ciała, a jednocześnie wykazywać podobny rytm zmian tej cechy.

Odmienne tempo rozwoju dotyczy jednak nie tylko procesu ontogenezy jako pewnej strategii uzyskania samodzielności, a potem zdolności do przedłużenia gatunku przez rozród. Także w dobowych i krótszych okresach obserwuje się wahania tempa wzrastania i jest to proces niezależny od zaburzeń chorobowych czy żywieniowych, spotykany jest bowiem u zdrowych dobrze żywionych dzieci. Proces ten przypuszczalnie związany jest z pulsacyjnym wydzielaniem hormonów przez podwzgórze (o czym będzie mowa w rozdziale 4, przy omawianiu roli hormonów w rozwoju). W szczególności w ciągu pierwszych 2 lat życia oraz w okresie pokwitania obserwuje się kilkunastodniowe okresy zahamowania wzrastania (zwane stasis) oraz jednodobowe (lub krótsze) skokowe przyrosty (ryc. 2.8) wynoszące w niemowlęctwie do kilku milimetrów (zwane saltation – lub mini-growth-spurt). Zjawisko tego tzw. pulsacyjnego wzrastania udokumentowane jest dla długości (wysokości) ciała, długości kończyn dolnych oraz obwodu głowy. Wielkość (lecz nie częstość) owych skokowych przyrostów związana jest z tempem rozwoju w danym okresie, lecz nie z wielkością ciała danego osobnika. Nie jest to zjawisko cykliczne w sensie stałego czasu występowania i trwania poszczególnych faz zahamowanie-skok wzrostowy, lecz epizodyczne. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze dostatecznie poznany. Stwierdzono jednak, że tego typu pulsacyjne wzrastanie ma miejsce także u badanych pod tym względem zwierząt (królika i szczura). Dotychczasowe badania wskazują, że pulsacyjne wzrastanie, a przypuszczalnie także produkcja hormonu wzrostu, mają charakter przystosowawczy, a więc są odpowiedzią na warunki środowiskowe. Potwierdza to nie cykliczny, lecz incydentalny charakter występowania miniskoków oraz okresów zahamowania wzrastania.

Ryc. 2.8. Pulsacyjne wzrastanie polega na krótkookresowych zahamowaniach przyrostόw oraz skokowych miniprzyrostach. Przykład dziennych zmian długości kończyny dolnej u 12. letniej dziewczynki w okresie przedpokwitaniowym (A) i dziewczynki 14. letniej znajdującej się w okresie pokwitania. Zmniejszanie się długości jest zarówno wynikiem zmian chrząstki, jak i nieuniknionych błędów pomiarowych (dane dzięki uprzejmości prof. Barbary Hulanickiej)

Opisane wyżej jakościowe i ilościowe zmiany rozwojowe wymagają odpowiedniej energii i informacji co do jej wykorzystania. Dostarczanie organizmowi materii i energii (materiałów budulcowych i energetycznych w postaci pokarmu, wody, tlenu) umożliwia rozwój. Substancje pozyskane przez organizm, szczególnie pokarm, przechodzą w organizmie skomplikowany proces, zwany przemianą materii. Rozwój związany jest więc z konkretnymi procesami przemian materii i energii, które podlegają dystrybucji (rozdziałowi i wykorzystaniu) w ramach organizmu zależnie od jego właściwości. Energetyczno-informacyjne aspekty rozwoju ontogenetycznego obejmują opis tych zjawisk. Energetyka zajmuje się opisem źródeł energii i kosztów energetycznych procesów życiowych. Informatyka określa źródła, charakter i mechanizmy przekazywania informacji dotyczących wszelkiego rodzaju procesów zachodzących w organizmie tak na poziomie submolekularnym, jak molekularnym, tkankowym, narządowym i organizmalnym. Dystrybucja (ekonomika) traktuje o sposobie wykorzystania energii i materii przez organizm.

Metabolizm dotyczy przemiany materii polegającej na wymianie materiału chemicznego bez względu na to, czy powoduje to zmiany struktury i funkcji. Wymiana chemiczna przebiega bowiem stale, nie zawsze powodując głębsze zmiany ontogenetyczne. Jest ona przejawem życia i służy jego podtrzymaniu. W przemianie materii rozróżnia się procesy anaboliczne, czyli przyswajania pobranych z otoczenia substancji i przekształcania ich w składniki chemiczne własnych tkanek lub odkładanie substancji zapasowych, od procesów katabolizmu. Katabolizm polega na zużywaniu składników chemicznych organizmu w procesach energetycznych i podczas sekrecji gruczołów. Produkty przemiany materii, które nie są dla organizmu potrzebne, zazwyczaj ulegają w możliwie jak najszybszym czasie wydaleniu, gdyż niektóre z nich mogą działać toksycznie na pewne tkanki (np. zatrzymywanie w organizmie azotowych produktów przemiany materii, zazwyczaj wydalanych z moczem, skutkuje mocznicą, objawiającą się między innymi obrzękiem mózgu i płuc, która może prowadzić nawet do zgonu).

Podsumowanie

Rozwój osobniczy jest procesem genetycznie zaprogramowanych zmian zachodzących w zmieniających się w ciągu życia człowieka środowiskach. Ma on kilka jakościowych aspektów: zwiększanie wymiarów i masy ciała oraz liczby komórek (wzrastanie); zmiany struktur tkanek i narządów oraz proporcji ciała (różnicowanie), a także doskonalenie funkcjonalne (dojrzewanie). Doskonalenie organizacji organizmu nazywamy postępem. Przebieg rozwoju poszczególnych osobników jest realizowany według możliwości, jakie stwarzają warunki środowiskowe, jednak zawsze w ramach określonych przez ewolucyjnie uformowany wzorzec rozwoju charakterystyczny dla gatunku. W procesie rozwoju poszczególne struktury rozwijają się od ogółu do szczegółu oraz wzdłuż dwóch osi: głowa-ogon (prawo cefalo-kaudalne) i od środka na zewnątrz (prawo proksymalno-dystalne). Progresywność, ciągłość, ukierunkowanie, sekwencyjność i etapowość to cechy pozwalające odróżnić zmiany rozwojowe od innych zmian zachodzących w organizmie.

Literatura uzupełniająca

Perspectives in Human Growth, Development and Maturation. P. Dasgupta i R. Hauspie (red.). Springer-Science+Business Media, B.V., 2001.

Bogin B. Patterns of Human Growth, 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

Human Growth and Development, 2nd ed. N. Cameron i B. Bogin (red). Elsevier, 2012.

Czynniki rozwoju osobniczego człowieka

Klasyfikacja czynników

P owstawanie złożonych cech fizjologicznych, histologicznych i morfologicznych w procesie rozwoju jest wynikiem skoordynowanej aktywacji wielu czynników regulacyjnych o różnych interakcjach. Są wśród nich czynniki pochodzenia dziedzicznego przekazane organizmowi potomnemu w zapłodnionej komórce jajowej. To instrukcje zawarte w DNA, wdrażane przez odpowiednie mechanizmy wykonawcze w toku ontogenezy. Dotyczą norm reakcji – wielu różnych możliwości rozwoju. Wdrażanie instrukcji genetycznych poprzez odpowiednie mechanizmy wykonawcze jest immanentną właściwością rozwoju. Natomiast to, które drogi rozwojowe będą realizowane w czasie życia osobniczego zależy w dużej mierze od interakcji genów z innymi genami, składnikami odżywczymi, czy innymi czynnikami środowiska życia. Optymalny rozwój można osiągnąć tylko wtedy, gdy wszystkie czynniki działają w harmonii.

Dla lepszego zrozumienia natury i roli poszczególnych czynników w procesie rozwoju człowieka zostaną one wydzielone z całego kompleksu wzajemnych powiązań i omówione oddzielnie.

Rozwój nie przebiega w próżni, ale w określonych środowiskach życia, warunkach sprzyjających lub szkodliwych dla rozwoju. Zgodnie ze znaczeniem słów, przez warunki życia i rozwoju rozumiemy potrzebne do życia elementy, a przez czynniki to, co organizmy żywe kształtuje. Nie zawsze pojęcia te są równoważne. Warunki umożliwiają życie organizmów, podczas gdy czynniki stabilizują i zmieniają je. Istnienie życia jest możliwe w określonym środowisku, co może oznaczać, że warunki życia są w znacznym stopniu równoznaczne z warunkami środowiskowymi. Środowisko podlega zmianom w czasie, podobnie jak organizm ulega zmianom z wiekiem. W tej sytuacji rozwój jest sposobem na życie, czynniki życia są tym samym czynnikami rozwoju organizmów. Rozwόj organizmu żywego przebiega jednak nie tylko pod wpływem bodźców środowiskowych, posiada on własne informacje ten rozwόj determinujące.

Te wszystkie informacje i bodźce, ktόre wpływają na stałość środowiska wewnętrznego organizmu, powodują rozwój lub wywołują zmiany przystosowawcze organizmu nazywamy czynnikami. Niektóre z czynników są, jak już powiedziano, pochodzenia dziedzicznego i znajdują się w samym organizmie, inne pochodzą ze środowiska i tworzą je warunki życia. Inne, jak klasa społeczno-ekonomiczna, czy sposób zachowania się organizmu, odzwierciedlają skomplikowaną mieszankę dziedzicznych i środowiskowych wpływów, a więc zależnych zarόwno od predyspozycji organizmu, jak i środowiska w jakim organizm żyje.

Czynniki znajdujące się w organizmie stanowią specyficzną informację genetyczną, ktόrą nazywamy genotypem. Czynniki tkwiące poza organizmem, w jego środowisku, umożliwiają realizację rozwoju. Struktury i funkcjonalne właściwości organizmu, ukształtowane w wyniku współdziałania genotypu danego organizmu z czynnikami środowiska nazywamy fenotypem. Te dwa pojęcia łączy zjawisko ekspresji genów, co oznacza, że geny mogą się rozmaicie przejawiać w różnych warunkach środowiskowych i przy rόżnej aktywności życiowej.

W zasadzie całość otaczającego środowiska może potencjalnie wpływać na organizm. Nie wszystkie jednak elementy środowiska i nie na każdym etapie rozwoju wywołują zmiany organizmu w procesie ontogenezy Od momentu, gdy organizm przystosuje się do danych warunków, a rozwój jest także procesem przystosowywania się, dany czynnik nie musi dalej wpływać na zmiany szlaku rozwoju organizmu w zakresie zmienności danej populacji. Określony zakres zmienności elementów środowiska, w ktόrym dany organizm przebywał, działać może wówczas stabilizująco.

Istnieje nieskończenie wiele elementów otoczenia i organizmu człowieka oraz sposobu jego zachowania się, jednak tylko pewne z nich wpływają czynnie na przebieg ontogenezy. Te właśnie elementy (geny, środowisko wewnątrzmaciczne matki w trakcie rozwoju płodu, środowisko zewnętrzne, tryb życia) nazywamy czynnikami rozwoju. Ich wpływ na organizm nie zawsze jest prosty i bezpośredni. Niekiedy występowanie pewnych warunkόw środowiskowych i tła genetycznego wpływa modyfikująco na zespół czynnikόw, które oddziałują na organizm człowieka. Nie można więc mówić o sposobie oddziaływania właściwym dla konkretnego czynnika, pomijając właściwości organizmu, jego poprzednie doświadczenia oraz zespół warunków współwystępujących.

Każdy element środowiska jest w tym rozumieniu potencjalnym czynnikiem rozwoju, są nimi także właściwości samego organizmu. Potencjalne czynniki regulujące rozwój podzielić można na te, które są wewnętrzne (endogenne) i te, które są zewnętrzne (egzogenne). Jak się jednak przekonamy, taki podział nie wyczerpuje całości uwarunkowań rozwoju. Istnieje bowiem grupa czynników współdziałających. Są one wynikiem istnienia czynników genetycznych i środowiskowych, pierwsze z nich bliższe są czynnikom genetycznym, drugie w podobnym stopniu zależą od obu tych pierwotnych grup. Stąd wydzielamy cztery grupy czynników, które w różnym stopniu regulują osobnicze procesy rozwojowe. Do endogennych należy zasób genów organizmu oraz wpływ konstytucji genetycznej matki w czasie rozwoju wewnątrzmacicznego. Do czynników egzogennych należą warunki środowiskowe. Czwartą grupę czynników stanowi tryb życia zależny zarówno od uwarunkowań genetycznych, jak i środowiskowych (tab. 3.1). W auksologii, przez konstytucję genetyczną matki rozumiemy uwarunkowane genetycznie właściwości jej organizmu, które w trakcie ontogenezy podlegają modyfikacjom środowiskowym pod wpływem warunków w jakich przebiegała i przebiega jej rozwój osobniczy.

Tabela 3.1. Cztery grupy źródeł zmienności, które są równocześnie czynnikami rozwoju człowieka

Czynniki endogenne genetyczne zwane również determinantami i stymulatorami rozwoju. To geny, które organizm potomny odziedziczył po rodzicach. Determinują i stymulują proces rozwoju poszczególnych narządów, elementów ciała i organizmu jako całości. W szczególności, na poziomie komórkowym kodują: (1) promotorowo-specyficzne czynniki transkrypcyjne (promowanie lub hamowanie transkrypcji określonych genów w odpowiedzi na sygnały docierające do komórek) działające w jądrze komórkowym komórki i wchodzące w skład kompleksu transkrypcyjnego; (2) białka sygnałowe (np. TGF, BMP, Shh) biorące udział w transdukcji sygnału, działające w cytoplazmie, na powierzchni błony komórkowej lub dyfundujące z komórki na zewnątrz oraz (3) czynniki wzrostu z ich receptorami na błonie komórkowej oraz receptory białek uczestniczących w regulacji cyklu komórkowego i w morfogenezie. Wszystkie te czynniki są ze sobą powiązane interakcyjnie, od ich prawidłowej interakcji zależy prawidłowy przebieg morfogenezy, a w efekcie ostateczny, prawidłowy kształt i funkcja poszczególnych narządów, elementów ciała i organizmu jako całości.

Właściwości poszczególnych genów oraz całego genomu (jako tzw. tła genetycznego, bowiem nie cały zasób DNA jest włączony w zestaw genów, a z tych nie wszystkie działają w tym samym czasie) przejawiają się przez efekty fenotypowe, w regulacji działania organizmu, którego są częścią. Spośród wielu czynników zaangażowanych w proces regulacji genów, białkowe czynniki transkrypcyjne (ogólne, wiodące i indukowalne) aktywują lub hamują ekspresję innych genów, w tym tych, które odpowiadają za wytwarzanie fizycznych i chemicznych składników zróżnicowanej struktury lub układu dorosłego organizmu, jego płci, szybkości zmian i poziom przemiany materii. Każda komórka somatyczna zawiera identyczny zestaw genów. Jak zatem się dzieje, że te identyczne zestawy genów mogą generować różne typy komórek? Bardzo ogólnie rzecz ujmując jest to możliwe między innymi dlatego, że inne zestawy genów ulegają transkrypcji w poszczególnych typach komórek i w konsekwencji w każdej z nich występują charakterystyczne dlań białka. Stanowi to potwierdzenie, że na ostateczny fenotyp wpływa sposób ekspresji genów, czyli procesy transkrypcji i obróbki potranskrypcyjnej. Wyjątek stanowią geny metabolizmu podstawowego (ang. housekeeping gene), które są aktywne we wszystkich komórkach, niezależnie od ich typu, ponieważ regulują podstawowe funkcje życiowe wspólne dla wszystkich komórek. Należy tutaj powtórzyć fundamentalną tezę biologii rozwoju, że o fenotypie (budowie i funkcji) komórki decydują przede wszystkim produkowane w komórce białka zarówno strukturalne, jak i enzymatyczne.

Ekspresja poszczególnych genów może przejawiać się w różny sposób: w formie addytywnego (sumującego się) wpływu na pewne cechy lub też dominacji alleli jednych genów nad innymi, które są względem nich recesywne, wreszcie wzajemnego korygowania czynności genów lub następstwa w czasie ich akcji. Wady w materiale genetycznym, które wykraczają poza właściwy dla gatunku zakres zmienności, powodują powstawanie anomalii budowy lub działania organizmu. Współdziałanie genów dotyczy nie tylko różnych genów położonych w parach homologicznych miejsc genowych (loci), lecz także różnych loci, w tym położonych w odmiennych (niehomologicznych) chromosomach. Te pierwsze mogą powodować obniżenie efektu (depresję) w przypadku kojarzenia wsobnego (homozję) czy bujanie cech i wysoką wrażliwość mieszańców (heterozję).

Endogenne czynniki genetyczne nazwać można determinantami, określają one bowiem w chwili zapłodnienia, z góry i w zasadzie w formie nieodwracalnej, zasadnicze biochemiczne normy reakcji organizmu, a tym samym przebieg rozwoju w danych warunkach.

Czynniki endogenne paragenetyczne nazywane również pozagenetycznymi czynnikami matczynymi. Jest to grupa czynników współdziałających, które względem organizmu płodu są zewnętrzne, natomiast endogenne w stosunku do organizmu matki. Płód wraz z łożyskiem stanowi jednostkę biologiczną, łożysko jest w części narządem matki, a w części płodu istnieje możliwość pojmowania tej grupy czynników jako w pewnym sensie specyficznych pośrednich czynników endogennych. Grupa ta dotyczy głównie, lecz nie wyłącznie, wpływów, jakim podlega organizm w środowisku wewnątrzmacicznym w czasie rozwoju prenatalnego, a przedłużony efekt występuje po urodzeniu w przypadku karmienia dziecka piersią i rzutuje niekiedy na cały dalszy rozwój. Endogenne czynniki paragenetyczne obejmują: (1) wpływ genów właściwych organizmowi matki, w tym tej części genów, które matka w danej ciąży nie przekazała swemu dziecku, inaczej mówiąc chodzi tu o czynnik genetyczno-konstytucjonalny matki, czyli pośrednią transmisję wpływu całości genów właściwych tkankom matki na rozwijające się wewnątrzmacicznie jej dziecko; (2) wpływ wieku tak matki, jak i ojca na biologiczną wartość ich gamet, szczególnie protoplazmy jaja; (3) wpływ kolejności ciąży na zmiany organizmu matki, w tym na jej właściwości immunologiczne. Ten ostatni aspekt dotyczy reakcji odpornościowych matki na płód z kolejnych ciąż, szczególnie gdy jest to płód płci męskiej. Niezgodność genów uzyskanych przez płód od ojca z genami matki (genetyczno-konstytucjonalnymi jej właściwościami) powoduje formowanie się reakcji obronnych matki, które zależnie od zestawu genów uzyskanych z danego plemnika ojca w każdej ciąży mogą być inne. Zawsze jednak pozostają nie bez wpływu na rozwój zarodka i płodu.

Mechanizm działania czynników paragenetycznych ma przypuszczalnie istotne znaczenie dla ustalenia się jedności metabolicznej matka-łożysko-płód. Gdyby niezgodności genotypu matki i płodu były ostro wyrażone zmniejszałoby to szansę przeżycia płodu, a stanowiło ostre zaburzenie działalności organizmu matki.

Dziedziczenie na drodze biologicznej może odbywać się na podstawie: przekazywania zestawów rodzicielskich genów (w tym jądrowych i mitochondrialnych), determinujących określone jakościowe i ilościowe właściwości potomstwa, tak jak interpretuje to genetyka mendlowska; uwarunkowań rozwoju płodu przez metaboliczne właściwości środowiska wewnątrzmacicznego oraz genetyczne właściwości tkanek matki, stymulujące procesy rozwojowe i regulujące ilościową stronę metabolizmu płodu, co wykracza poza klasyczne rozumienie słowa dziedziczenie w genetyce.

Obie grupy wymienionych czynników w pewnym stopniu są zależne od wieku matki wiążącego się z liczbą błędów genetycznych w komórkach płciowych, a druga dodatkowo od środowiska (szczególnie żywienia matki w czasie ciąży) oraz liczby uprzednio przebytych ciąż i płci potomstwa w poprzednich ciążach.

Do grupy tej nie można natomiast włączyć czynników upodabniających rodziców i dzieci, a więc wspólnego żywienia się, trybu życia, środowiska społecznego rodziny itp.

Czynniki egzogenne. Są to elementy środowiska otaczającego organizm, których odmienność polega na skali natężenia oddziałującego bodźca, a nieskończona wręcz różnorodność na liczbie kombinacji między współwystępującymi elementami. Te czynniki egzogenne, które w danym czasie powodują zmiany przystosowawcze organizmu, nazywane są czynnikami ekologicznymi. Czynniki środowiska zewnętrznego obejmują poza czynnikami ekologicznymi także ten zakres i zestaw elementów środowiska, w którym organizm żyje, do których już dawniej nastąpiło pełne przystosowanie – a więc nie modyfikują one jego właściwości w danym okresie. Rozwój osobniczy jest wynikiem współdziałania czynników genetycznych i środowiskowych. Czynniki środowiskowe warunkują realizację programu genetycznego, zależnie od tego w jakim zestawie i natężeniu występują, czyli w jakim stopniu umożliwiają genetycznie zaprogramowany rozwój. Na przykład składniki pożywienia, ktόre jest elementem środowiska, umożliwiają bu-dowę tkanek. Składniki te po wchłonięciu do krwi są substratem, który, zależnie od jego ilości i jakości, umożliwia według planu zawartego w genach – realizację danej struktury. Z tego powodu czynniki egzogenne nazywane są również modyfikatorami rozwoju i w zależności od ich natury – biologicznej lub społeczno-ekonomicznej – rozdziela się je, pierwsze nazywając modyfikatorami naturalnymi, a drugie modyfikatorami kulturowymi.

Tryb życia. Rozkład codziennych zajęć: obciążenie wysiłkiem fizycznym i umysłowym, charakter odpoczynku, sen – kolejność i czas trwania wymienionych czynności napięcia i relaksu, ich odrębność w poszczególnych porach roku, składają się na działanie organizmu żywego. Równocześnie wpływają one bezpośrednio na stan i rozwój organizmu. W tym sensie są one czynnikami rozwoju.

Tryb życia znajduje się w związku zarówno z czynnikami endogennymi (temperamentem, potrzebami), jak i egzogennymi (koniecznościami społeczno-ekonomicznymi, fizycznymi warunkami otoczenia itd.). Z racji tej drugiej grupy powiązań wpływ ruchu (aktywności fizycznej) na organizm bywał włączany do grupy czynników egzogennych. Nie jest to słuszne, bowiem aktywność jest atrybutem organizmu a nie środowiska. Czynniki środowiskowe są zwane egzogennymi właśnie dlatego, że znajdują się na zewnątrz organizmu. Natomiast tryb życia jest aktualnie realizowaną właściwością samego organizmu. Jest on swoistego rodzaju biokulturowym modyfikatorem rozwoju, nie będąc ani czynnikiem endogennym ani egzogennym. Warunki środowiskowe istnieją niezależnie od tego czy dany organizm istnieje, czy nie. Natomiast tryb życia jest właściwością konkretnie istniejącego organizmu w konkretnym czasie, wywiera jednak wpływ na przebieg rozwoju w danym momencie a poprzez wywołane zmiany oddziałuje na przyszłość. Należy przy tym zwrócić uwagę, że tak jak proces rozwoju osobniczego i zmian przystosowawczych jest wynikiem współdziałania czynników genetycznych i środowiskowych, tak podobnie sposób wykorzystania pozyskanej przez organizm materii i energii jest wynikiem konkurencji między potrzebami wynikającymi z aktywności związanej z trybem życia oraz procesami budowy i regeneracji tkanek.

Rozwόj osobniczy jest jedną z form dostosowywania organizmu do środowiska przez ukierunkowane i nieodwracalne zmiany rozwojowe (adaptabilne) lub zmiany odwracalne (adjustacje regulacyjne i aklimatyzacyjne). Bilans energetyczny organizmu wynika z realizacji toru rozwoju osobniczego i trybu życia, a oba są wynikiem współdziałania czynników genetycznych i środowiskowych.

We współczesnej nauce endogennymi czynnikami genetycznymi i paragenetycznymi zajmuje się genetyka i embriologia, grupą czynników egzogennych zajmuje się ekologia. Czwartej grupy nie ujmuje żadna z wyodrębnionych dziedzin wiedzy, a wydaje się to być niedostatkiem. Jest to pogranicze zainteresowań fizjologii pracy, ergonomii, teorii wychowania fizycznego i rekreacji, wreszcie nauk społecznych (szczególnie socjologii). Wszystkimi czterema grupami czynników w sposób naturalny zajmować się musi auksologia, nauka o rozwoju opiera się bowiem na zrozumieniu czynników i mechanizmów rozwoju. Opis zjawisk rozwojowych bez ujawnienia ich prekursorów niewiele do teorii i praktyki wnosi.

Mimo wielu lat badań nad ontogenezą, wiele aspektów dotyczących czynników regulujących proces rozwoju wymaga dalszego ich pogłębienia. Wynika to, jak się wydaje, w pierwszym rzędzie z trudności eksperymentalnego badania rozwoju człowieka. Nie mogąc operować w sposób dowolny różnymi zestawami czynników wpływających na rozwój, zdani jesteśmy na obserwacje, które z konieczności obejmują określone, dobrze rozpoznane zestawy czynników. Nie mamy możliwości spełnienia tzw. zasady jednego czynnika zmiennego w eksperymencie. W związku z tym w miejsce dobrze założonego eksperymentu sprawdzającego postawione hipotezy, stosowane są niekiedy bardzo złożone metody analizy matematycznej, które dotychczas nie wyjaśniły zadowalająco istniejących wątpliwości. Dotyczy to zarówno cech determinowanych wielogenowo (poligenicznych), jak i wpływu, jak się wydaje, łatwo mierzalnych czynników społeczno-ekonomicznych. Istota trudności polega na tym, że w naturze, tak w sensie biologii, jak psychologii oraz socjologii człowieka, występują złożone interakcje między czynnikami, a to jak dany zespół czynników wpłynie na dwie różne osoby, zależy nie tylko od tego, czy te czynniki są identyczne, ale czy identyczny jest także ich odbiór ze strony organizmu owych dwóch osób. To zaś zależy od genetycznych uwarunkowań i historii rozwoju danych organizmów. Zasadnicze grupy czynników zostały zidentyfikowane (ryc. 3.1) i stanowi to znaczny postęp w badaniach.

Ryc. 3.1. Czynniki endogenne i egzogenne skojarzone w oddziaływaniu na organizm człowieka

W badaniach nad rozwojem człowieka równie dobrze muszą być rozpoznane czynniki rozwoju, jak i cechy organizmu (fenotyp), na które czynniki te działają. Cechy te można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Są to cechy jakościowe i ilościowe.

Cechy zdeterminowane na drodze genetycznej w sposób bezpośredni i z zasady niezmienny w rozwoju przyjęto nazywać jakościowymi. Czynniki paragenetyczne i środowiskowe nie mają, poza modyfikacjami epigenetycznymi, większego wpływu na ich formowanie się, czynniki ekologiczne zdecydowały jednak o ich utrzymaniu się na drodze doboru naturalnego. Jakościowymi są cechy policzalne lub pewne, z gruntu odrębne kategorie, zazwyczaj uwarunkowane pojedynczymi genami (np. grupy krwi). Cechy jakościowe występują w granicach tolerancji właściwej danemu gatunkowi i charakteryzują go pod tym względem. Cechy jakościowe można też określić ilościowo jako takie, które między dwiema odrębnymi właściwościami nie mają pośrednich, a różnice między tymi przejawami są zasadnicze, niezależne od dokładności przyrządu mierzącego. Z tego powodu określa się je mianem dyskretnych. Cechy jakościowe w skali populacji podaje się jako częstości występowania poszczególnych wariantów.

Cechy zdeterminowane wieloma genami, z których pojedynczy gen ma niewielki indywidualny udział w kształtowaniu fenotypu, ale razem z innymi genami o jednakowym działaniu wywołują określony efekt fenotypowy, nazywamy ilościowymi. Cechy ilościowe znajdują się pod wpływem czynników paragenetycznych, a także podlegają różnorodnym modyfikacjom przez warunki środowiskowe. Są więc wypadkową szerokiej zmienności czynników endogennych oraz bardzo zróżnicowanych oddziaływań czynników egzogennych. W wyniku tego cechy takie ulegają stałym przekształceniom i w sposób zasadniczy zmieniają się w procesie rozwoju osobniczego. Przykładami cech ilościowych są masa i wymiary ciała, ciśnienie krwi, temperatura ciała, szybkość reakcji itd. Cechy ilościowe charakteryzują się rozkładem ciągłym, to znaczy między jedną a drugą zmierzoną kategorią cechy można znaleźć u innych osobników bądź w trakcie rozwoju tego samego osobnika dowolnie dużo form pośrednich, a ich uchwycenie zależy jedynie od wielkości próbki wziętej do analizy oraz dokładności przyrządu, którym dokonuje się pomiaru. Ciągłość rozkładu występuje oczywiście w pewnych granicach właściwych dla danego gatunku, a sam rozkład dla dostatecznie licznych grup jednorodnych jest zazwyczaj jednowierzchołkowy, nie musi jednak być symetryczny. Inna nazwa cech ilościowych to cechy o rozkładzie ciągłym.

W statystyce przez pojęcie cechy jakościowej rozumie się po prostu cechy niemierzalne, natomiast policzalne, a jako cechy ilościowe te, które można zmierzyć (mierzalne).

Jak zwykle bywa przy daleko idących uproszczeniach, powyższy schemat ma pewne odstępstwa. Chodzi tu mianowicie o istnienie tzw. zmienności quasi-ciągłej. Charakteryzuje ona cechy fenotypowe, które mają charakter cech jakościowych, często zero-jedynkowych, a u ich podstaw leży ciągła zmienność genetyczna, typowa dla cech ilościowych. Ujawnienie fenotypu wymaga przekroczenia progu odnoszącego się do posiadanych genów, którego przekroczenie powoduje zasadniczą zmianę fenotypu. Dotyczy to przypadków polimorfizmu. Pewne cechy mogą występować u osobnika na zasadzie wszystko albo nic, czyli są lub ich nie ma. W populacji, czyli przy zróżnicowaniu międzyosobniczym wykazują one rozkład ciągły. Przykładem mogą być odporność na choroby, wyrzynające się zęby i niektóre kości (np. trzeszczki). U pewnej liczby osobników niektóre zęby (np. agenezja M_3 , P_2 , I_2 ) i kości mogą nie występować, a zatem rozkład liczby zębów i kości w populacji będzie imitować rozkład ciągły. Dzieci z niską masą urodzeniową, jak również wieloraczki wykazują częściej brak uformowania niektórych zębów, zaś osoby, którym brak jednego z zębów, mają tendencję do braku także innych zębów. Niewystępowanie pewnych centrów kostnienia być może jest także związane z określonymi biologicznymi właściwościami organizmu. Związki powyższych objawów z ogólnie słabszym rozwojem zwane są genotypem dystroficznym. System dystroficzny może mieć podłoże genetyczne, może on być aktywny lub przenikający, o czym miałyby świadczyć poprzednie przykłady.

Oddziaływanie wszystkich omówionych czynników, choćby efekty przejawiały się zewnętrznie, zazwyczaj idzie torem głębokich przemian metabolicznych. Regulacja metabolizmu płodu zachodzi pod dominującym wpływem oddziaływań matczynych oraz zespołu genów homeotycznych. Natomiast regulacja metabolizmu okresu postnatalnego pozostaje pod przemożną presją czynników środowiskowych, a przede wszystkim żywienia, które to czynniki wpływają nawet na przejawianie się genów. Czynniki te określają jednak bardziej natężenie i poziom procesów metabolicznych, a więc w pierwszym rzędzie dotyczą ilości. Metabolizm jest jednak regulowany również pod względem specyfiki procesów chemicznych, co zachodzi na drodze genetycznej i jest to regulacja jakościowa. Schematyczne przedstawienie współdziałania tych wszystkich czynników musi być z konieczności niedoskonałe (ryc. 3.2).

Ryc. 3.2. Schematyczny obraz wpływu genów na procesy różnicowania biochemicznego i strukturalnego oraz dojrzewania wraz z interakcją modyfikatorów środowiskowych. Geny determinują specyfikę procesów rozwojowych, hormony – uwarunkowanie ich natężenia, czynniki środowiskowe – poziom procesów

Czynniki endogenne genetyczne

Ciągłość życia organizmów zapewnia mechanizm dziedziczenia. W procesie tym poszczególne gatunki roślin i zwierząt przekazują następnym pokoleniom swoją informację genetyczną w postaci kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Wyjątek stanowią tu pewne wirusy, u których substancją dziedziczną jest kwas rybonukleinowy (RNA). Jednostką, z ktόrej zbudowane są kwasy nukleinowe jest nukleotyd, jednostki te tworzą łańcuch polinukleotydowy, dwa takie łańcuchy tworzą prawoskrętną ślimakowato spiralę (helisa) stanowiącą cząsteczkę DNA. Jest ona molekularną podstawą kodu genetycznego ze względu na specyficzne ułożenie w niej kolejnych nukleotydów. DNA składa się z 4 zasad (tyminy, cytozyny, adeniny i guaniny) występujących w tej nici w różnej kolejności (sekwencji) i w związku z tym tworzących różne kombinacje informacyjne. DNA wraz ze specyficznymi białkami podczas mitozy tworzą widoczne pod mikroskopem struktury, zwane chromosomami. Dla każdego gatunku właściwa jest stała liczba chromosomów i ich kształt. Człowiek posiada w każdej komórce somatycznej 46 chromosomów ułożonych w 23 pary (ryc. 3.3). Komόrki takie zwane są diploidalnymi (posiadającymi dwa zestawy chromosomόw). Zestawianie się chromosomów w pary ma zasadnicze znaczenie tak dla procesu przekazywania materiału genetycznego, jak i dla jego funkcjonowania. Po jednym chromosomie w każdej parze pochodzi od ojca i po jednym od matki.

• Genom u Eukaryota to podstawowy (haploidalny) zespół chromosomów organizmu składający się z właściwej dla danego gatunku liczby i zawierający sumę jego wszystkich genów chromosomowych. Termin ten po raz pierwszy został wprowadzony w 1920 roku przez niemieckiego botanika Hansa Winklera. Obecnie pojęcie genomu określa sumę wszystkich kodujących i niekodujących sekwencji DNA zawartych w haploidalnej liczbie chromosomów. W komórkach Eukaryota występuje również pozajądrowy materiał genetyczny w postaci mitochondrialnego (mtDNA) i plastydowego DNA, które stanowią odrębne genomy.

Badaniem genomów zajmuje się genomika, termin wprowadzony w 1987 roku przez Victora A. McKusicka i Franka H. Ruddle’a.

Genom człowieka (gatunku Homo sapiens) to kompletny zestaw informacji genetycznej zlokalizowanej w jądrze komórkowym (genom jądrowy) i w mitochondriach (genom mitochondrialny). Wielkość genomu człowieka mierzona liczbą par zasad DNA wynosi 3,3 miliarda i obejmuje całą zawartość DNA w każdym pojedynczym zestawie chromosomów włącznie z sekwencjami powtarzalnymi i niekodującymi. Komórka somatyczna zawiera 46 chromosomów: 22 pary chromosomów autosomalnych (autosomy) i 1 parę chromosomów płciowych (chromosomy płciowe XX u płci żeńskiej i XY u płci męskiej). Całkowita ilość informacji genetycznej zawartej w genomie człowieka jest mniejsza niż 800 MB.

Ryc. 3.3. Uporządkowany zestaw chromosomόw człowieka

Dwadzieścia dwie pary zwane są chromosomami autosomalnymi, 1 para to chromosomy płciowe: u kobiet są to homologiczne chromosomy XX, a u mężczyzn heterologiczne XY. Pełny zestaw materiału genetycznego zawarty w 46 chromosomach każdej z komórek somatycznych oraz zawarte w nich DNA nazywamy genomem.

• Genotyp to suma informacji genetycznej (genów) zawarta w chromosomach danego organizmu warunkująca jego wszystkie cechy fenotypowe. Genotyp nie determinuje bezpośrednio określonego fenotypu, ale wyznacza pewien zakres fenotypowych możliwości, których realizacja jest uzależniona od indywidualnej normy reakcji danego osobnika na warunki środowiska.

Jest to sparowany układ alleli w danym locus (jeden gen) lub w kilku badanych loci (kilka genów) danego osobnika. Jeśli bada się związek między tymi loci a określoną cechą/cechami, pozostała część genotypu określana jest jako tło genetyczne.

• Allel, zwany także allelomorfem, to jedna z dwu lub większej liczby wykluczających się wzajemnie form genu, które mogą występować naprzemiennie w danym miejscu (locus) na chromosomie. Jeśli sparowane allele są takie same, mówi się, że organizm jest homozygotyczny pod względem danej cechy (np. AA lub aa); jeśli są różne, organizm jest heterozygotyczny (np. Aa lub aA), a dominujący allel zastąpi cechy allelu recesywnego. W niektórych cechach allele mogą być kodominujące, czyli nie działają ani jako dominujące, ani recesywne. Przykładem jest ludzki układ krwionośny ABO; osoby z krwią typu AB mają jeden allel dla A i jeden dla B.

Większość cech określa więcej niż dwa allele. Może występować wiele postaci allelu, ale tylko dwie będą przyłączać się do wyznaczonego miejsca genu podczas mejozy. Ponadto niektóre cechy są kontrolowane przez dwa lub więcej miejsc genów. Obie możliwości pomnażają liczbę zaangażowanych alleli. Wszystkie cechy genetyczne są wynikiem interakcji alleli. Mutacje, crossing-over i warunki środowiskowe selektywnie zmieniają częstość fenotypów (a więc ich alleli) w obrębie populacji.

Komórki płciowe (gamety) powstają w wyniku podziału redukcyjnego zwanego mejozą, stąd mają połowę liczby chromosomów i nazywane są haploidalnymi. Posiadanie połowy tej liczby chromosomów, jaka jest właściwa somatycznym komórkom ciała, zabezpiecza komόrki płciowe przed niekontrolowanym powiększaniem, z pokolenia na pokolenie, liczby chromosomόw. Dopiero połączenie się gamety męskiej (plemnika) z żeńską (jajem) i zespolenie kompletu 23 par (46) chromosomów umożliwia dalszy rozwój zygoty (ryc. 3.4). W ten sposób potomstwu zostaje przekazana całość losowej połowy materiału genetycznego ze strony każdego z rodziców. Uzyskany materiał genetyczny powoduje, że w cyklu przemian ontogenetycznych nowy osobnik rozwija się do postaci podobnej do rodziców.

Ryc. 3.4. Schematyczny obraz przekazywania materiału genetycznego potomstwu. Gamety są haploidalne i zawierają o połowę mniejszą liczbę chromosomów n=23

Blok 3.1. Genom człowieka

Historia projektu poznania ludzkiego genomu

Zainteresowanie ludzkim genomem wiąże się z dynamicznie rozwijającymi się badaniami w zakresie biologii molekularnej. Kroki milowe tych badań wyznaczają:

- kluczowy pierwszy krok – odkrycie w 1953 r. przez Jamesa D. Watsona i Francisa H.C. Cricka podwójnej spiralnej struktury cząsteczki DNA i jej znaczenie dla przekazywania informacji w materii żywej (wraz z Maurice Wilkinsem otrzymali za te badania Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1962 r.);

- odkrycie mechanizmu syntezy biologicznej DNA i RNA w roku 1956 przez Artura Kornberga, który odkrył polimerazę DNA I otrzymaną z Escherichia coli (gen poIA); za to odkrycie otrzymał w 1959 r. Nagrodę Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny;

- ogłoszenie w 1957 r. podstawowego dogmatu biologii molekularnej o przepływie informacji genetycznej (DNA → RNA → białko);

- propozycja cech uniwersalnego kodu przedstawiona w pracy Crick i współ. General nature of the genetic code for proteins opublikowanej w Nature, 30.12.1961 r. w numerze 4809: • jest to zestaw trzech nukleotydów (lub prawdopodobnie ich wielokrotność) kodujących jeden aminokwas; • kod nie ma charakteru kodu „nakładającego”; sekwencja zasad jest odczytywana od określonego punktu startowego; • kod genetyczny jest prawdopodobnie „zdegenerowany”, co oznacza, że jeden szczególny aminokwas może być kodowany przez kilka tripletów;

- poznanie kodu genetycznego datowane na 1966 rok – triplety zasad w RNA jako elementy szyfru kodującego aminokwasy;

- w 1973 r. Herbert Boyer i Stanley Cohen udowadniają, że DNA przecięty, a następnie zrekombinowany jest czynny w komórce;

- opracowanie w 1977 r. przez Frederika Sangera techniki sekwencjonowania DNA opartej o syntezę DNA przez polimerazę DNA in vitro; technika ta umożliwiła czytanie sekwencji nukleotydowej cząsteczki DNA;

- w 1977 r. wyizolowany zostaje pierwszy ludzki gen; jest to gen dla insuliny;

- opracowanie w 1983 r. przez Kary Bank Mullisa techniki określanej jako reakcja łańcuchowa polimerazy PCR pozwalającej na szybkie powielenie wybranego fragmentu DNA, a następnie określenie jego długości (Nagroda Nobla w 1993 r.) oraz

- odkrycie genetycznego podłoża w etiologii niektórych chorób, jak pląsawica Huntingtona czy mukowiscydoza, datowane na rok 1983.

Pomysł odczytania całego genomu ludzkiego zrodził się w połowie lat 80. XX w., ale jego intelektualne korzenie nawiązują do pierwszej mapy genetycznej opracowanej w 1913 r. przez Alfreda Sturtevanta dla muszki owocowej Drosophila melanogaster. Mapa ta obejmowała 6 cech, a procedura, którą w tym celu opracował jest używana do dzisiaj. Pierwszą poważną dyskusję nad możliwościami sekwencjonowania genomu człowieka zainicjował Robert Sinsheimer, kanclerz University of California, na konferencji w Santa Cruz w 1985 r. Wówczas ta propozycja nie zyskała poparcia naukowców. Bezpośrednim impulsem do podjęcia badań nad ludzkim genomem stało się poszukiwanie danych dotyczących ochrony genomu człowieka przed mutagennym wpływem promieniowania. W roku 1986 Charles de Lisi kierujący programami badawczymi zdrowia i środowiska w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych (The United States Department of Energy, DOE) przedstawił projekt nazwany Human Genome Initiative. Do realizacji tego projektu powołał w 1988 r. Narodowe Centrum Badań Ludzkiego Genomu (National Center for Human Genome Research, NCHGR). W tym samym roku w Cold Spring Harbour (USA) zawiązane zostaje międzynarodowe konsorcjum Human Genome Organisation (HUGO) skupiające więcej niż stu badaczy z wielu krajów świata. W 1990 r. rozpoczęli oni realizację projektu poznania ludzkiego genomu (Human Genome Project, HGP) z budżetem trzech miliardów dolarów przeznaczonym na realizację badań w ciągu 15 lat. Do konsorcjum HGP należały: USA, Chiny, Francja, Niemcy, Japonia i W. Brytania, w pracach brały udział także laboratoria z innych krajów. Inauguracji projektu towarzyszyła deklaracja o udostępnieniu naukowcom wszystkich uzyskanych informacji o genomie. W 1997 r. NCHGR przemianowano na Narodowy Instytut Badań Ludzkiego Genomu (National Human Genome Research Institute, NHGRI), a Francis S. Collins pozostał dyrektorem nowego instytutu. Trzeci plan pięcioletni został ogłoszony w 1998 r. W tymże roku na scenę wkracza nowy gracz, prywatny koncern Celera Genomics Corporation z Rockville, USA i J. Craig Venter, biotechnolog i przedsiębiorca, założyciel, dyrektor i główny naukowiec w tej firmie. Po zastosowaniu przez Ventera automatycznych sekwencerów genów, nowej, szybkiej techniki sekwencjonowania DNA, nastąpiło znaczne przyspieszenie prac nad ludzkim genomem. Tym bardziej, że koncern Celera Genomics działał w konkurencji do zespołu rządowego HGP, a J. Craig Venter oświadczył, że zamierza opatentować kilkaset genów i wykorzystać swoją bazę danych do celów komercyjnych. Zasłaniając się prawem patentowym, nie udostępniał informacji na temat swoich badań. W dniu 26.06.2000 r. Francis S. Collins, dyrektor NHGRI i J. Craig Venter, założyciel, współwłaściciel i prezes prywatnej firmy Celera Genomics ogłosili poznanie pierwszej, przybliżonej sekwencji genomu ludzkiego. Dwie epokowe publikacje ukazały się rok później. Publikacja rządowego zespołu HPG ukazała się 15.02.2001 r. w Nature: International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001, 409:860–921. Publikacja koncernu Celera Genomics datowana na 16.02.2001 r. ukazała się w Science: Venter J.C, Adams M.D, Myers E.W i inni. The sequence of the human genome. Science 2001, 291:1304–1351. Dnia 14.04.2003 r. ogłoszono zakończenie sekwencjonowania 99% genomu człowieka z trafnością 99,99%.

Głównym celem projektu HGP było zwiększenie podstawowego rozumienia procesów biochemicznych w organizmach żywych. Cele szczegółowe sformułowano następująco:

- zidentyfikować wszystkie z około 20 500 genów w ludzkim DNA;

- określić sekwencję 3 miliardów par zasad, które składają się na ludzkie DNA;

- przechowywać tę informację w bazach danych;

- ulepszyć narzędzia do analizy danych;

- przenieść związane z projektem technologie do sektora prywatnego;

- zająć się kwestiami etycznymi, prawnymi i społecznymi, które mogą wyniknąć z projektu (https://genomics.energy.gov. Dostęp: styczeń 2018).

Metody

Model ludzkiego materiału genetycznego w HGP stanowiły leukocyty pobrane w dużej liczbie od kobiet i nasienie od mężczyzn. W koncernie Celera Genomics użyto mieszanki próbek pobranych od anonimowych dawców z każdego kontynentu. Podczas realizacji projektu obie grupy badawcze zastosowały metodę ustalania kolejności zasad (sekwencjonowania) we fragmentach DNA uzyskanych z ludzkich chromosomów. Fragmenty te po powieleniu i odczytaniu ponownie składano na podstawie pasujących do siebie końców, które lokalizowano na zasadzie nakładania się identycznych sekwencji DNA (ang. overlapping sequences). Metodę odczytu nazwano metodą ustalania kolejności zasad w rozbitych fragmentach pierwotnej badanej nici DNA (ang. shotgun sequencing). Przeprowadzano kilka lub kilkanaście rund sekwencjonowania w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa wystąpienia błędów odczytu. Na zakończenie odcinki o znanej kolejności zasad układano w większe elementy, następnie w cały badany odcinek DNA odpowiadający danemu chromosomowi. Ta metoda różniła się szczegółowymi rozwiązaniami zastosowanymi w badaniach obu grup. W HGP zastosowano klasyczną technikę sekwencjonowania, sekwencjonowanie hierarchiczne (ang. hierarchical shotgun sequencing). Najpierw zmapowano wielkoinsertowe klony, a potem zastosowano sekwencjonowanie losowe: fragmentacja DNA chromosomów, określanie kolejności nukleotydów w tych odcinkach i ustawienie uzyskanych sekwencji DNA w odpowiedniej kolejności. Natomiast sposób sekwencjonowania zastosowany przez Celera Genomics polegał na pocięciu DNA badanego organizmu na ogromną liczbę fragmentów, które były następnie sekwencjonowane bez zwracania uwagi na ich położenie względem siebie w chromosomach. Odczyt prowadzono bezpośrednio we fragmentach uzyskanych wprost z pierwotnej badanej nici DNA z pominięciem etapu mapowania klonów. Proces ten nazwano odczytem całego genomu (ang. whole-genome shotgun sequencing). Dopasowanie sekwencji przeprowadzano komputerowo, co znacznie przyspieszyło realizację celów badawczych HGP.

Wyniki

Dane opublikowane w 2001 r. przez oba zespoły skupiające 20 laboratoriów i setki naukowców pracujących na całym świecie, stanowiły wstępną wersję opisu ludzkiego genomu, określono bowiem sekwencję 90% euchromatyny (część chromosomów, która barwi się na jasno w preparatach mikroskopowych i w której skupiona jest większość aktywnych genów).

Wielkość DNA genomu jądrowego człowieka oceniono na 3,2 miliarda par nukleotydów, z czego 2,9 miliarda zgromadzone jest w obrębie euchromatyny. Zaledwie 1–2% z nich koduje białka, co stanowi 5% z 28% całości ludzkiego DNA przepisywanego na RNA. Ponad połowa naszego materiału genetycznego składa się z sekwencji repetytywnych, które choć występują w licznych kopiach w różnych miejscach genomu nie kodują żadnego białka.

Zespół projektu HGP ocenił, że w komórce ludzkiej jest około 31 tysięcy genów kodujących białka, według Celera Genomics około 26 tysięcy, z czego w projekcie HGP udało się określić 22 tysiące, a w Celera Genomics 26 tysięcy. Poza tymi genami znaleziono 740 genów kodujących nici RNA, które nie są tłumaczone na białko, ale spełniają ważną rolę w funkcjonowaniu komórki. Dowodzi to, że stopień złożoności organizmów jest wprost proporcjonalny do zakresu pełnionych przez dany gen funkcji i liczby wzajemnych powiązań pomiędzy genami i ich produktami (białkami), a nie do liczby genów. Szacuje się, że w komórce ludzkiej każdy pojedynczy gen współpracuje przeciętnie z pięcioma innymi.

Główny dogmat biologii molekularnej, jeden gen-jedno białko, okazał się nieprawdziwy, bowiem w wyniku rozszczepiania i ponownego składania syntetyzowanych z danego genu nici RNA komórka uzyskuje matryce do syntezy odmiennych białek. Zjawisko to nazywane jest alternatywnym splicingiem RNA.

Kolejną obserwacją wynikającą z projektu jest stwierdzenie, że polimorfizm pojedynczych nukleotydów (ang. single nucleotide polymorphisms SNP) odpowiada za osobnicze różnice fenotypowe ludzi. W rzeczywistości są one niewielkie od 5,3 do 8,8 SNP na 10 kb stanowiąc około 0,1% ludzkiego genomu.

Znaczenie badań wykonanych w ramach projektu HGP

Badania te przyczyniły się do odkrycia ponad 1800 genów związanych z określonymi chorobami, co pozwoliło na opracowanie ponad 2000 testów genetycznych stosowanych w celach zdrowotnych. Umożliwiają one pacjentom poznanie ich genetycznych zagrożeń związanych z chorobą, a lekarzom pomagają w diagnozowaniu choroby. Szacuje się, że co najmniej 350 produktów biotechnologicznych wyprodukowanych w ramach projektu jest obecnie w fazie badań klinicznych.

W 2005 r. opracowano katalog odmian genetycznych lub haplotypów w ludzkim genomie HapMap, a w 2010 r. trzecią fazę tego projektu wraz z danymi pochodzącymi od 11 globalnych populacji. Dane te są dostępne pod adresem http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov. Dane te posłużyły do identyfikacji czynników genetycznych związanych z powszechnymi ludzkimi chorobami, od otyłości poczynając po stany chorobowe towarzyszące starzeniu się organizmu.

Narzędzia stworzone w projekcie zostały wykorzystane do scharakteryzowania genomów organizmów wykorzystywanych w badaniach biomedycznych, w tym muszki owocowej (Drosophila melanogaster), glisty (Caenorhabditis elegans) i myszy. Przyczyniły się do dynamicznego rozwoju genomiki i proteomiki, a te z kolei umożliwiły prace nad nowymi lekami dedykowanymi pacjentom o określonym genotypie. Tak więc przyczyniły się do rozwoju farmakologii i medycyny spersonalizowanej.

Zrozumienie choroby na poziomie genomowym oraz dostęp do wysokoprzepustowych badań przesiewowych bibliotek małocząsteczkowych pozwoli na opracowanie innowacyjnych technik umożliwiających stworzenie nowych terapii lekowych bardziej skutecznych i powodujących mniej skutków ubocznych niż te, które są dostępne obecnie. Medycyna spersonalizowana umożliwi skuteczniejsze działania prewencyjne i mające na celu ochronę zdrowia. Podjęto działania zmierzające do stworzenia Atlasu genomu nowotworu (http://cancergenome.nih.gov), w których byłyby opisane wszystkie nieprawidłowości genetyczne obserwowane w 50 głównych typach nowotworów.

Poznanie ludzkiego genomu jako referencyjnego zapoczątkowało erę badań genomów indywidualnych. W 2007 r. kierowany przez J. Craiga Ventera zespół genetyków opublikował pełną sekwencję jego genomu (Levy S, Sutton G, Ng PC, Feuk L. i inni. The Diploid Genome Sequence of an Individual Human. PLoS Biology 2007, 5(10):e254). Była to pierwsza tak dokładna analiza materiału genetycznego pojedynczego i znanego człowieka. W październiku 2007 r. grupa badawcza Ventera rozpoczęła pracę nad utworzeniem w sposób syntetyczny żywego organizmu. W rok później (29.01.2008 r.) w Science ukazała się praca o uzyskaniu pełnego genomu bakterii Mycoplasma genitalium [Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA i inni. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science 2008, 319(5867):1215–1220]. W maju 2010 r. zespół Ventera stworzył pierwszą na świecie żywą komórkę, która może funkcjonować jak żywy organizm, choć jej funkcjami steruje sztuczny genom, tzw. sztuczne życie.

Projekt przyczynił się do stworzenia nowego wymiaru biologii ewolucyjnej. Poznanie różnic genetycznych między gatunkami umożliwi określenie przyczyn i mechanizmów pojawiania się nowych biologicznych struktur w historii i pochodzeniu życia na Ziemi.

W ramach projektu opracowano Program Etycznych, Prawnych i Społecznych Implikacji (Ethical, Legal and Social Implications, ELSI) wynikających z badań ludzkiego genomu, który stał się wzorem dla innych badaczy w rozwiązywaniu problemów etycznych wynikających z badań z udziałem ludzi (http://www.genome.gov/10001618).

Należy podkreślić znaczący wpływ projektu na rozwój nauki (farmakogenomika, medycyna, epidemiologia, biotechnologia i inne). To także wpływ na funkcjonowanie społeczeństw, albowiem istnieje potencjalna możliwość ingerencji w najbardziej osobistą sferę życia, jeśli wyniki badań genetycznych będą udostępniane pracodawcy, firmom ubezpieczeniowym i innym organizacjom.

Wyzwania stojące przed badaczami polegają na ustaleniu, w jaki sposób wszystkie liczne i złożone powiązania genów, ich produktów i środowiska współpracują ze sobą w zakresie zdrowia i chorób człowieka.

W celu wyjaśnienia mechanizmu powstawania różnic genetycznych między pokoleniami należy przypomnieć, że dziecko (pomijając chromosomy płciowe) w 50% posiada geny identyczne z każdym ze swych rodziców, bowiem od każdego z nich uzyskało po połowie materiału genetycznego. O ile kolejne pokolenia składają się z reprezentantów tych samych rodzin, powinny one być do siebie podobne genetycznie, ale wraz z kolejnymi pokoleniami podobieństwo do odleglejszych przodków maleje, np. podobieństwo względem każdego z czworga dziadków wynosić będzie po 25%, bowiem po ¼ materiału genetycznego uzyskało od każdego z dziadkόw. Podobieństwo genetyczne wynika z liczby posiadanych takich samych genów.

Kolejne pokolenia danej populacji w zasadzie posiadają podobne zestawy genόw, czyli pule genowe. Pule te mogą rόżnić się wielkością (liczbą osobnikόw), ale w zasadzie zawierają podobną częstość poszczegόlnych genόw. Odchylenia w tej częstości zachodzą w pierwszym rzędzie w wyniku zróżnicowanej płodności i umieralności przedstawicieli rodzin charakteryzujących się określonymi genami. To właśnie prowadzi do zwiększania się w puli genowej populacji tych genów, które reprezentowane są przez rodziny bardziej płodne lub o większej przeżywalności potomstwa.

Człowiek ma kilkadziesiąt tysięcy genόw, ktόre zlokalizowane są w jądrach komόrkowych. Jak powiedziano, nie cała jednak informacja dziedziczna zawarta jest wyłącznie w strukturach jądrowych, jej część zlokalizowana jest w mitochondriach.

• Mitochondria są przypuszczalnie potomkami symbiotycznych bakterii, które przed 2 miliardami lat zostały wchłonięte przez pre-Eukaryota i rozpoczęły z nimi symbiotyczne współżycie. Występują we wszystkich komórkach organizmów eukariotycznych. Są miejscem o najwyższej produkcji energii w komórce. Mają one podwójną błonę, pofałdowana jest błona wewnętrzna (fałdy zwane są grzebieniami). Do wnętrza wnikają substancje odżywcze: cukry proste, produkty metabolizmu tłuszczów. W cyklu Krebsa spalane są cukry, tłuszcze i białka. Na skutek reakcji chemicznych uwalniane są atomy wodoru, łącząc się z tlenem w procesie spalania, produktami czego są: woda, ATP – związek chemiczny magazynujący energię biologiczną, a wydalana energia cieplna. Wydajność mitochondriów decyduje o poziomie (tempie) przemiany materii. Mitochondria mają własną informację genetyczną (DNA i RNA), co może świadczyć o tym, że kiedyś były oddzielnymi organizmami.

Na matrycy DNA syntetyzowana jest specyficzna, jednoniciowa forma informacyjnego RNA (ryc. 3.5), tzw. messenger RNA (mRNA). Trójki nukleotydów RNA formują się w jednostki kodujące zwane kodonami. Jak wspomniano istnieją 4 zasady azotowe, które mogą tworzyć różne sekwencje w trzymiejscowych kodonach (4^3), możliwe jest występowanie 64 odmiennych kombinacji.

Ryc. 3.5. Powielenie, czyli replikacja materiału genetycznego przed podziałem komórki

Ryc. 3.6. Transkrypcja informacyjnego RNA (mRNA), transport aminokwasów przez tRNA i syntetyzowanie łańcucha polipeptydowego w procesie translacji

Informacyjny RNA przenika z jądra do cytoplazmy i jako matryca bezpośrednio uczestniczy w syntezie białka. W cytoplazmie, mRNA wchodzi w kontakt ze strukturami komόrkowymi zwanymi rybosomami, do których specjalny typ przenośnikowego RNA (ang. transfer RNA, tRNA) transportuje cząsteczki aminokwasów z cytoplazmy (ryc. 3.6).

W ostatnich latach wykryto, że RNA są nie tylko przekaźnikami instrukcji zakodowanych w DNA, lecz modyfikują one zarówno swoje funkcje, jak i wpływają na działanie DNA. Stąd można przypuszczać, że odgrywają rolę w ekspresji (sposobie przejawiania się) genów. RNA ma także zdolność działania na podobieństwo enzymόw.

Ryc. 3.7. Wymiana chromosomόw na drodze niezależnej segregacji do komόrek potomnych

W dodatku RNA tworzony na matrycy DNA, w kolejnej fazie ulega degradacji i jedynie ok. 10% zostaje przekształcone w mRNA, a reszta zostaje usunięta. Wspomniane ok. 10% RNA zostaje ze sobą połączone, jednak zazwyczaj nie w kolejności skopiowanej z matrycy DNA. Odpowiedzialne są za to małe specyficzne cząstki zwane małym jądrowym RNA (ang. small nuclear ribonucleic acid, snRNA). Opisany proces powoduje powstawanie niezwykle wielu układów o wielce zróżnicowanej kolejności połączonych ze sobą fragmentów mRNA. Na ich podstawie tworzonych jest wiele rodzajów białek. Tak złożony kilkuetapowy sposób tworzenia białek, mimo określonej kolejności DNA w pojedynczym genie prowadzi do wielkiej różnorodności specyficznego finalnego produktu.

Niezwykle istotny dla przebiegu rozwoju jest chronometraż aktywacji poszczególnych grup genów w toku ontogenezy. Zrozumienie mechanizmów tego procesu, który choć badany na przykładzie organizmów modelowych nie jest do końca poznany, pozostaje największym wyzwaniem współczesnej biologii.

Przy przekazywaniu genόw do gamet (komόrek płciowych) następuje segregacja ich alleli (ryc. 3.7 i 3.8). Proces ten jest na ogół losowy, dlatego też materiał genetyczny każdej gamety pojedynczego osobnika jest jedyny i niepowtarzalny, a dzieci tych samych rodziców różnią się między sobą.

Ryc. 3.8. Segregacja oraz wymiana odcinków chromosomόw (crossing-over)

Regulacja ekspresji genów: modyfikacje epigenetyczne

Komórki somatyczne organizmu wielokomórkowego są homogenne genetycznie, ponieważ wszystkie komórki potomne powstałe z zygoty w wyniku podziałów mitotycznych dziedziczą ten sam DNA. Jeśli tak, to rodzi się pytanie jak to możliwe, że komórki posiadające ten sam genom różnią się pod względem rozmiaru i kształtu oraz pełnionych funkcji? Genetyka molekularna wyjaśnia sposób, w jaki identyczny zestaw genów w każdej komórce generuje różne typy komórek, a w konsekwencji strukturalnie i funkcjonalnie heterogeniczny organizm. Dzieje się tak między innymi dlatego, że podczas różnicowania się pierwszych komórek w embriogenezie inne zestawy genów ulegają transkrypcji w procesie regulacji ekspresji genów i w poszczególnych typach komórek, wskutek czego w każdej z nich występują charakterystyczne dlań białka. Wyjątek stanowią geny metabolizmu podstawowego, ang. housekeeping gene, które są aktywne we wszystkich komórkach, niezależnie od ich typu, ponieważ regulują podstawowe funkcje życiowe wspólne dla wszystkich komórek.

Złożoność procesu regulacji ekspresji genów u eukariontów wiąże się z faktem, że regulacji podlega pojedynczy gen a genomy zawierają dużą liczbą genów. Muszą istnieć mechanizmy wyszukiwania odpowiednich genów. Regulacja obejmuje także zmiany struktury chromatyny, w którą jest upakowane jądrowe DNA, aby zapewnić polimerazie RNA dostęp do genów. U eukariontów występują trzy poziomy regulacji ekspresji genu: (1) zmiana struktury chromatyny polegająca na dekondensacji heterochromatyny i przejście w luźniej upakowaną euchromatynę; (2) informacja zapisana w sekwencji nukleotydów jest transkrybowana na mRNA; promotory eukariotyczne są pod kontrolą czynników regulacyjnych, mogących działać jako represory lub aktywatory transkrypcji, a następnie (3) w wyniku translacji ta informacja jest przepisywana na sekwencję aminokwasową.

Po obróbce potranslacyjnej i dojrzewaniu sekwencja aminokwasowa staje się białkiem. Białka to podstawowe składniki wszystkich organizmów żywych. Są materiałem budulcowym organizmu (kolagen), regulatorami i przekaźnikami kierującymi przemianą materii (enzymy i hormony), pełnią funkcję transportera (hemoglobina) i wiele innych ważnych funkcji życiowych. Informacja o budowie wszystkich białek w organizmie zawarta jest w genomie komórki jajowej zapłodnionej przez plemnik (zygocie).

Fakt, że komórki mające identyczny materiał genetyczny rozwijają się w tak różne formy morfologiczne, strukturalne i funkcjonalne jak: neuron, komórka glejowa, hepatocyt, limfocyt czy komórka nabłonkowa oznacza, że oprócz informacji zakodowanej w sekwencji deoksyrybonukleotydów musi istnieć jeszcze inny lub inne czynniki determinujące fenotyp. To przypuszczenie zostało potwierdzone. Okazało się, że genom to dynamiczny, niezwykle skomplikowany układ biologiczny, w którym oprócz informacji genetycznej zakodowanej w sekwencji DNA znajduje się instrukcja wdrażania tej informacji, to jest system regulacji ekspresji informacji genetycznej. Jeden z najprostszych a zarazem najbardziej pierwotnych sposobów zdeterminowania przyszłości komórki we wczesnych etapach jej różnicowania (okres embrionalny) polega na wyłączaniu niektórych genów przez metylację lub inny rodzaj modyfikacji i zdeterminowaniu w ten sposób szlaku rozwojowego komórki w określony typ. Komórka, która raz weszła na drogę różnicowania w określony typ traci zdolności wyboru innej drogi. Inne formy regulacji ekspresji genów są bardziej skomplikowane i mogą prowadzić do zmian o charakterze odwracalnym.

Jak już powiedziano (blok 3.1) białka kodowane są przez zaledwie 1–2% naszego genomu; znacząco większą jego część stanowi DNA, które jak się do tej pory przypuszczało nie odgrywa żadnej funkcji biologicznej, tzw. „śmieciowy DNA”. Najnowsze badania pokazują, że niekodujące DNA jest niejednorodne i wbrew powszechnemu mniemaniu nie są to tylko „śmieci”, ale jedne z istotnych mechanizmów regulacji przepływu informacji genetycznej. W niejednorodnej strukturze niekodującego DNA znajdują się m.in. takie struktury jak: pseudogeny, mobilne elementy genetyczne, czy introny. Pseudogeny są najszybciej zmieniającymi się sekwencjami DNA eukariontów. Można je zdefiniować jako niefunkcjonalną pozostałość po aktywnych niegdyś genach. Przewiduje się, że w ludzkim genomie liczba pseudogenów jest prawie taka sama jak liczba genów, około 20 000, z czego szacunkowo od 6 do 20% jest transkrybowane. Pseudogeny mogą powstawać z genów rodzicielskich poprzez mutacje prowadzące do utraty pełnionej funkcji. Jest to najrzadsza klasa pseudogenów, ich liczbę w ludzkim genomie szacuje się na około 100. Przykładem może być gen kodujący niegdyś oksydazę gulanolaktonową (GULOP) należącą do szlaku syntezy witaminy C, który wskutek mutacji utracił swoją pierwotną funkcję. Człowiek utracił zdolność syntetyzowania witaminy C i musi ją dostarczać do organizmu wraz z pożywieniem. Mogą także powstać w wyniku duplikacji genu lub poprzez odwrotną transkrypcję mRNA do komplementarnego cDNA i wbudowanie takiej struktury do genomu. Jest ona funkcjonalnie bezużyteczna dla organizmu, albowiem fragment DNA pozbawiony intronów i elementów regulacji transkrypcji nie może ulegać ekspresji i wytworzyć funkcjonalnego białka. To najbardziej powszechna klasa pseudogenów w ludzkim genomie. Z niektórych pseudogenów powstaje RNA, który wprawdzie nie jest przepisywany na białko, ale pośrednicząc między DNA a białkiem, może włączać się w regulację ekspresji genów. Wykazano, że odbywa się to poprzez interferowanie antysensownych produktów transkrypcji pseudogenów z transkryptami prawidłowych genów i w ten sposób kierowanie ich do degradacji lub blokowanie ich translacji.

Szacuje się, że rozproszone w genomie elementy mobilne w przypadku człowieka stanowią 42,2– 46,4% całej informacji genetycznej. Niektóre z nich utrzymywane są w genomie przez tysiące lat i są pozostałościami (świadkami) unikalnych molekularnych zdarzeń w ewolucji człowieka. Wyodrębniono wśród nich transpozony, zwane też wędrującymi lub skaczącymi genami i retroelementy. Transpozony to sekwencje DNA, które mogą się przemieszczać z jednego miejsca w genomie danej komórki w inne na zasadzie transpozycji replikacyjnej (typ rekombinacji nieuprawnionej, która nie wymaga homologii sekwencji nukleotydowych cząsteczek DNA biorących w nim udział) i amplifikować bez procesów pośrednich. Proces ten jest powszechnie spotykany w ludzkim genomie, najczęściej jednak nie obejmuje sekwencji kodujących.

Retroelementy stanowią prawie 90% sekwencji mobilnych genomu. Są one transkrybowane przez polimerazy komórkowe wraz z DNA komórki, po czym następuje przepisanie sekwencji RNA na cDNA w obecności enzymu pochodzenia wirusowego zwanego odwrotną transkryptazą (RT) i ponowna transpozycja do genomu danej komórki lub innych komórek. Proces retrotranspozycji zachodzi tylko u Eukaryota. Przykładem elementów zdolnych do retrotranspozycji są wbudowane w genom endogenne retrowirusy (ERV) stanowiące prawie 8% naszego genomu. Są one najprawdopodobniej pozostałościami po wirusach egzogennych, które infekując komórki linii płciowej gospodarza uległy w toku ewolucji insercji do DNA i były przekazywane następnym pokoleniom. W ciągu tysięcy lat większość ERV utraciło aktywność z powodu nagromadzonych mutacji i pozostaje nieaktywna transkrypcyjnie. Jednak niektóre z nich są nadal aktywne i mogą sterować replikacją wirusów egzogennych.

Istnieje jeszcze jeden system regulacji ekspresji genów. To nośniki informacji wprowadzanej do komórki poprzez biochemiczne modyfikacje sekwencji DNA lub białek histonowych znane jako modyfikacje epigenetyczne. System ten stanowi nadbudowę genomu i nazywany jest epigenomem. Epigenom pozwala lepiej poznać i zrozumieć, w jaki sposób genom integruje sygnały z otoczenia, zarówno te pochodzące z wnętrza komórki lub organizmu, jak i z zewnętrznego, względem organizmu środowiska życia. W ustalaniu wzorca ekspresji genów w określonych typach komórek biorą udział geny i środowisko, a pośredniczą w nim mechanizmy epigenetyczne. Czynniki środowiskowe mogą wpływać na to, jakie geny w danej chwili ulegają ekspresji, gdyż w reakcji na sygnały środowiskowe uruchamiany jest system przełączników, którymi są regulatory molekularne – związki chemiczne powodujące kowalencyjne modyfikacje DNA, związanych z nim struktur białek histonowych chromatyny jądrowej oraz niekodujące RNA. W efekcie może nastąpić aktywacja genu bądź jego wyciszenie. Charakterystyczną cechą tego procesu jest, że modyfikacje epigenetyczne nie zmieniają struktury DNA samej w sobie, to znaczy, nie zmieniają sekwencji nukleotydów, lecz oddziałują bezpośrednio na DNA (czego pozostałością jest znacznik chemiczny na DNA) lub modyfikują związane z nim struktury białek histonowych. W efekcie wywołują zmiany funkcjonalne genu decydując czy, kiedy i w jaki sposób będzie on aktywowany. Modyfikacje epigenetyczne tworzą sieć wzajemnie oddziałujących na siebie czynników, które umożliwiają precyzyjną kontrolę ekspresji genów, a tym samym leżą u podstaw różnicowania się komórek w trakcie rozwoju osobniczego, genomowego piętna rodzicielskiego i dezaktywacji chromosomu.

• Epigenetyka (grec. epi oznacza ponad, w dodatku do) zajmuje się badaniem zmian aktywności genów, zarówno we wzorcach komórkowych (analizy jakościowe), jak i w ilościowym profilu ekspresji genów, które podlegają dziedziczeniu mitotycznemu i/lub mejotycznemu, i które nie pociągają za sobą zmiany w sekwencji nukleotydów DNA (mutacji DNA), lecz są efektem stabilnych i odwracalnych modyfikacji biochemicznych DNA oraz białek histonowych chromatyny jądrowej; zmiany te są powielane w następujących po sobie w pokoleniach komórek potomnych; opisuje wszystkie mechanizmy niezbędne do rozwinięcia programu genetycznego do rozwoju ontogenetycznego, które na poziomie molekularnym dotyczą mechanizmów biochemicznej regulacji funkcjonalnych właściwości DNA i białek chromatynowych jako podłoża międzykomórkowej lub międzyosobniczej zmienności genotypowej i fenotypowej.

• Epigenom to sieć związków chemicznych doczepianych do łańcucha DNA jako elementy funkcjonujące poza genomem lub w dodatku do niego, które pełnią rolę znaczników. Modyfikują one genom bez zmiany sekwencji DNA i odgrywają rolę w określaniu, które geny są aktywowane lub wyciszane w określonej komórce zależnie od wewnętrznych potrzeb komórki lub zewnętrznych czynników środowiskowych, takich jak: sposób odżywiania, styl życia, stres psychospołeczny, określone stadium choroby i innych.

Mechanizmy epigenetyczne uczestniczą w regulacji ekspresji genów, rekombinacji homologicznej i naprawie DNA, na poziomie transkrypcji, po transkrypcji i po translacji i dotyczą DNA i histonów. Główne mechanizmy zaangażowane w regulację epigenetyczną obejmują metylację/demetylację cytozyny DNA występującej w parach cytozyna-guanina (cis-epigenetyczna kontrola aktywności genów), potranslacyjną modyfikację histonów (trans-epigenetyczna kontrola aktywności genów poprzez acetylację/deacetylację oraz metylację/demetylację histonów), przebudowę chromatyny i wyciszanie genów związane z RNA przez działalność niekodujących RNA (non-coding RNA, ncRNA) (ryc. 3.9).

Ryc. 3.9. Mechanizmy epigenetyczne i ich związek ze zdrowiem człowieka. Mechanizmy epigenetyczne są uruchamiane pod wpływem wielu czynników i procesów, takich jak: (1) rozwój w życiu płodowym i dzieciństwie, (2) toksyny, chemikalia środowiskowe, (3) leki i farmaceutyki, (4) starzenie się i (5) dieta. Metylacja DNA zachodzi, gdy grupy metylowe przyłączając się do DNA wyciszają lub aktywują geny. Modyfikacja histonu występuje, gdy wiązanie czynników epigenetycznych z „ogonami” histonów zmienia zakres, w którym DNA jest owinięty wokół histonów i dostępność genów w DNA, które mają być aktywowane. Wszystkie te czynniki i procesy mogą powodować między innymi choroby nowotworowe, choroby autoimmunologiczne, zaburzenia psychiczne lub cukrzycę. Modyfikacja za: National Institutes of Health, https://commonfund.nih.gov/epigenomics/figure. Dostęp: styczeń 2018

Metylacja jest najtrwalszą zmianą biochemiczną prowadzącą do wyciszenia ekspresji genów. Im bardziej jest intensywna, tym dany gen będzie odczytywany z mniejszą ekspresją; im niższa, tym aktywność tego genu będzie większa. To endogenna modyfikacja polegająca na przyłączaniu grupy metylowej (CH_3) do węgla C5 cytozyny (rzadziej do azotu N3 cytozyny lub do węgla C6 adeniny) w miejscach występowania dinukleotydów cytozyna-guanina, zwanych wyspami CpG. W genomie człowieka występuje około 29 tysięcy wysp. Połowa z nich umiejscowiona jest w promotorach genów. W procesie metylacji biorą udział enzymy zwane metylotransferazami DNA (ang. deoxyribonucleic acid methyltransferases, DNMTs). Ta chemiczna zmiana wpływa na stopień kondensacji chromatyny, co zmniejsza dostępność DNA do różnych czynników transkrypcyjnych, np. blokuje przyłączenie koaktywatorów transkrypcyjnych lub poprzez przyłączenie białek metyl CpG-binding domain (MBD) wiążących grupy metylowe wpływa na wyciszenie ekspresji genów. Tak zmodyfikowane geny, choć nadal znajdują się w komórce i w czasie podziałów są przekazywane do komórek potomnych, funkcjonalnie są nieaktywne. Proces metylacji jest ważnym czynnikiem w prawidłowym przebiegu tzw. procesu piętnowania genomowego (ang. genetics imprinting), nazywanego również rodzicielskim oraz inaktywacji chromosomu X, dzięki czemu aktywna jest tylko jedna kopia genów sprzężonych z płcią. Odgrywa również rolę w rozwoju licznych chorób jak: otyłość, choroby sercowo-naczyniowe, neurodegeneracyjne, nowotwory.

Drugim ważnym mechanizmem modyfikacji epigenetycznych są modyfikacje histonów, które mogą różnie wpływać na ekspresję zmieniając dostępność do nici DNA czynnikom transkrypcyjnym. Jednym z nich jest potranslacyjna modyfikacja histonów. Obejmuje ona złożone procesy: metylacji, acetylacji, fosforylacji, ubikwitynacji lub sumoilacji polegającej na koniugacji z cząsteczkami SUMO (ang. small ubiquitin-like modifier). W wyniku tych procesów do cząsteczek histonów przyłączane są grupy metylowe, acetylowe, fosforanowe, ubikwityny lub białka SUMO. Histony to białka zasadowe wchodzące w skład nukleoproteinowego kompleksu zwanego chromatyną. Podstawową jednostką strukturalną chromatyny jest nukleosom. Składa się on z rdzenia białkowego zbudowanego z histonów oraz nawiniętej na niego nici DNA (stanowią je odcinki o długości 146 par zasad). Domeny globularne histonów tworzą rdzeń o kształcie walca złożony z ośmiu cząsteczek histonów (oktamer histonowy) – po dwa histony typu H2A, H2B, H3 i H4. Nukleosom tworzy także histon łącznikowy H1, który stabilizuje nić DNA na oktamerze i bierze udział w dalszych procesach kondensacji chromatyny. Białka histonowe mają niewielką masę cząsteczkową, poniżej 23 kDa. Charakteryzują się dużą zawartością aminokwasów zasadowych, zwłaszcza lizyny i argininy, dzięki czemu neutralizują kwasowy charakter chromatyny. Nieustrukturyzowane końce histonów, N-aminowy i C-karboksylowy, wystają poza oktamer jako tzw. ogony histonowe i to w nich, najczęściej na N-końcach, dochodzi do modyfikacji epigenetycznych. Do nich mogą przyłączać się rozmaite cząsteczki i grupy chemiczne, np. niewielkie cząsteczki w postaci reszt metylowych, acetylowych, fosforanowych, a także duże cząsteczki, jak w przypadku ubikwityny czy białka SUMO. Substancje te powodują, że DNA mocniej lub słabiej przylega do histonów. Ściśle upakowane fragmenty chromatyny noszą nazwę heterochromatyny. Chromatyna o luźniejszej strukturze to euchromatyna. Odczyt informacji genetycznej jest możliwy, gdy struktura chromatyny jest rozluźniona (ryc. 3.9). Ogony histonów rdzeniowych podlegają różnorodnym, z reguły odwracalnym modyfikacjom potranslacyjnym: przyłączaniu niewielkich grup, takich jak: reszta metylowa, acetylowa czy fosforanowa, jak również dużych cząsteczek, jak w przypadku ubikwitynylacji i sumoilacji. Modyfikacjom potranslacyjnym podlegają liczne reszty aminokwasowe znajdujące się we wszystkich histonach rdzeniowych. Tę prawidłowość ujmuje hipoteza kodu histonowego: określone wzory modyfikacji histonów decydują o stanie chromatyny (ściśle upakowana heterochromatyna lub luźna euchromatyna) i determinują aktywność transkrypcyjną genów w jej obszarze, a w konsekwencji wpływają na określony efekt biologiczny. Modyfikacje epigenetyczne histonów, których większość jest odwracalna (dodawanie lub usuwanie np. grupy metylowej czy acetylowej) nie są rozłożone równomiernie wzdłuż chromosomów i obszarów genowych. Ich udział w regulacji ekspresji genów może odbywać się poprzez zmianę struktury i konformacji chromatyny, która moduluje dostępność loci genowych w transkrypcji pośrednio wpływając na metylację dinukleotydów CpG w DNA, modulację ekspresji genów wpływających na funkcje komórek pod wpływem ekspozycji na działania różnych czynników środowiskowych i modulacje biochemicznej kaskady sygnalizacji wewnątrzkomórkowej.

Ryc. 3.10. Metylowana cytozyna w wyniku przyłączenia grupy metylowej CH_3. C_5-metylocytozyna (m5C): grupa metylowa przyłączona do węgla w pozycji 5 pierścienia pirymidynowego cytozyny (Prokaryota i Eukaryota), N_4-metylocytozyna (m4C): grupa metylowa przyłączona do azotu w pozycji 4 pierścienia cytozyny (Prokaryota), N_6-metyloadenina (m6A): grupa metylowa przyłączona do azotu w pozycji 6 pierścienia purynowego adeniny (Prokaryota i u niższych organizmów eukariotycznych)

Inny mechanizm modyfikacji epigenetycznej oparty jest na interferencji RNA (ang. RNA interference, RNAi). To naturalny, stary ewolucyjnie proces, któremu przypisuje się prawdopodobną rolę w ochronie genomu przed inwazją mobilnych elementów genomu lub obronie przed obcym materiałem genetycznym, np. wirusami. Istotą RNAi jest zjawisko wyciszania albo wyłączenia ekspresji genu przez egzogenne wprowadzenie lub endogenną syntezę dwuniciowego RNA (ang. double stranded RNA, dsRNA) o budowie i sekwencji zbliżonej do sekwencji DNA wyłączanego genu. Wyłączenie może odbywać się poprzez zniszczenie cząsteczki pośredniczącej w przepływie informacji pomiędzy danym genem a jego produktem białkowym – degradację mRNA; blokowanie translacji mRNA lub indukcję epigenetycznego wyciszenia genu. Mediatorami procesu RNAi są krótkie, dwuniciowe interferujące RNA (ang. small interfering RNA, siRNA) o długości 21–23 nukleotydów, zakończone dwoma wolnymi nukleotydami na końcu 3’ oraz kodowane w genomie endogenne cząsteczki tzw. mikro RNA (ang. micro RNA, miRNA) tworzące charakterystyczne struktury dwuniciowe w postaci spinek do włosów o długości około 22 nukleotydów, które regulują aktywność mRNA na drodze sparowania sekwencji miRNA z fragmentem mRNA. W genomie człowieka zidentyfikowano ponad 800 genów miRNA, które mogą wpływać na ekspresję ponad połowy białek w organizmie regulując podstawowe procesy życiowe. Uważa się, że miRNA wyewoluowały z siRNA na co zdaje się wskazywać, że ich powstawanie i dojrzewanie jest podobne.

Cząsteczki siRNA i miRNA są produktem enzymatycznego cięcia długich dwuniciowych cząsteczek dsRNA z udziałem nukleazy Dicer. To pierwszy etap procesu RNAi, który zachodzi w cytoplazmie. Jeden z typów krótkich RNA, albo miRNA, albo siRNA, po związaniu przez kompleks białkowy wyciszający RNA (ang. RNA-induced silencing complex, RISC) ma zdolność przyłączania komplementarnej cząsteczki mRNA, która ma wkrótce wziąć udział w syntezie białka. RISC jest wielobiałkowym kompleksem zawierającym cząsteczkę RNA, który może działać potranskrypcyjnie poprzez cięcie mRNA lub inhibicję translacji. Kompleks ten tworzą białka wiążące RNA, białka z rodziny Argonaute (AGO) posiadające domenę PAZ oraz domenę Piwi. Kompleks RISC wiąże preferencyjnie jedną z nici siRNA. To, która z nici zostanie związana przez RISC zależy od sekwencji i struktury siRNA. Utworzenie kompleksu siRNA/RISC z nicią mRNA prowadzi do hydrolizy mRNA przy udziale endonukleazy Ago2 wchodzącej w skład kompleksu RISC, a dalsza degradacja mRNA zachodzi pod wpływem działania egzonukleaz. W wyniku procesu degradacji docelowej cząsteczki RNA zostaje zniszczona matryca do dalszego procesu biosyntezy białka i proces ten nie zachodzi. Po zdegradowaniu docelowej cząsteczki RNA, RISC zostaje uwolniony, po czym może być ponownie wykorzystany w procesie RNAi. Natomiast związanie miRNA/RISC z mRNA blokuje utworzenie kompleksu translacyjnego. Efekt jest taki, jakby gen w komórce nie był odczytywany, ponieważ nie powstaje białko, a co za tym idzie nie ma efektu jego działania. Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do dwóch poprzednio opisanych mechanizmów epigenetycznych (metylacja DNA i modyfikacja histonów) RNAi nie działa na zasadzie wszystko albo nic, tzn. odczytywanie danego genu albo nie. Aktywność genu jest powiązana z zapotrzebowaniem na dane białko. Niewielka ilość mikroRNA niweczy tylko część cząsteczek mRNA, co oznacza, że proces syntezy białka będzie zachodzić dalej, ale w efekcie powstanie mniejsza ilość białka. Taki mechanizm pozwala na kontrolowanie aktywności genu w zależności od zapotrzebowania na dane białko.

Wyciszanie genów za pośrednictwem małych RNA (siRNA i miRNA) jest ważnym mechanizmem regulacji ekspresji genów i integralności genomów organizmów żywych. Specyficzność wyciszenia określonych genów zapewniona jest dzięki komplementarności zasad między małym wyciszającym RNA a RNA ulegającym wyciszeniu. Wyciszanie regionów bogatych w powtórzenia DNA heterochromatyny, sekwencji transpozonowych, wirusów i innych patogenów odbywa się za pośrednictwem siRNA. Wyciszanie genów związanych z zegarem biologicznym, niektórymi aspektami rozwoju, czy reakcją na stres odbywa się za pomocą miRNA.

Mechanizmy epigenetyczne włączane są również w kontrolę funkcjonowania chromosomów. Najlepiej poznanym przypadkiem jest wyrównywanie poziomu ekspresji genów zlokalizowanych na chromosomach płciowych ssaków, w tym człowieka, dzięki czemu u płci żeńskiej, tak samo jak i męskiej, aktywna jest tylko jednak kopia genów z chromosomu X. Zjawisko inaktywacji jednego z chromosomów X odkryła w latach 60. XX w. Mary F. Lyon, stąd zjawisko to nazywane jest również lyonizacją. Sformułowana przez nią w 1961 r. koncepcja inaktywacji chromosomu X głosi, że u płci żeńskiej tylko jeden z chromosomów X jest genetycznie funkcjonalny, zaś drugi, losowo wybrany chromosom X pochodzący od matki lub ojca ulega inaktywacji, gdy znajduje się w stadium blastocysty, tj. ok. 16 dnia embriogenezy. Inaktywacja chromosomu X jest mechanizmem kompensacyjnym wyrównującym poziom ekspresji genów zlokalizowanych na chromosomach płciowych i nieodwracalnym we wszystkich potomnych komórkach somatycznych (zmiany są przekazywane podczas podziałów mitotycznych). Nieaktywny chromosom X jest widoczny w jądrze komórki znajdującej się w interfazie jako ciemno barwiąca się grudka chromatyny płciowej, znajdująca się najczęściej w pobliżu blaszki wewnętrznej otoczki jądrowej i nosząca nazwę ciałka Barra (odkryte przez Murray Barra w 1949 r.) lub chromatyny X.

Zaobserwowano, że podczas mitozy unieczynniony chromosom X ulega replikacji z opóźnieniem. Dalsze badania pokazały, że proces ten wiąże się z epigenetycznym wyłączeniem genów w obrębie chromosomu X. Proces ten jest kierowany przez Xic (ang. X-inactivation center) znajdujące się na inaktywowanym chromosomie. Zlokalizowane są w nim geny XIST (ang. X Inactivation-Specific Transcript – Xq11.3 i TSIX (odwrotna kolejność liter do XIST) komplementarny w sekwencji do XIST. Inaktywacja rozpoczyna się od ekspresji genu XIST. Gen ten wytwarza niekodujący kwas rybonukleinowy (ncRNA), który oplatając DNA, blokuje ekspresję zawartych tam genów poprzez metylację DNA, hipermetylację lizyny 9 histonu H3 i deacetylację histonów. W konsekwencji następuje wyciszenie epigenetyczne wielu genów w obrębie chromosomu X. Nieaktywny chromosom ulega aktywacji w profazie I podziału mejotycznego w komórkach linii płciowej.

Okazało się również, że nie wszystkie geny na chromosomie X ulegają inaktywacji, wiele z nich pozostaje aktywnych i są odpowiedzialne za prawidłowy wzrost i rozwój osobniczy. Prawidłowość tę zdają się potwierdzać zaburzenia obserwowane u kobiet z zespołem Turnera. Posiadają one tylko jeden chromosom X w każdej komórce somatycznej (44X0). Obrazy kliniczne ujawniają całe spektrum nieprawidłowości fenotypowych: niskorosłość, niedojrzałość płciową, specyficzny fenotyp morfologiczny, niedorozwój umysłowy, wady serca i inne. Nieprawidłowości te nie mogłyby wystąpić, gdyby tylko jeden chromosom X wystarczał do prawidłowego rozwoju. Ponadto nieczynny chromosom X jest na powrót aktywowany w komórkach płciowych przed pierwszym podziałem mejotycznym, co potwierdza ogólnie znaną prawidłowość, że nie jeden, ale dwa chromosomy płciowe są niezbędne do prawidłowej oogenezy.

Epigenom podlega modyfikacjom w toku ontogenezy, począwszy od zapłodnienia poprzez rozwój zarodkowy, płodowy (rozwój przebiegający w środowisku wewnątrzmacicznym) oraz w życiu po urodzeniu w środowisku pozamacicznym. W czasie zapłodnienia i tuż po, aż do osiągnięcia stadium moruli i blastocysty, następuje proces resetowania metylacji miejsc cytozynowych DNA. Komórki stają się całkowicie niezróżnicowane, czyli totipotentne, co oznacza, że mogą z nich powstawać wszystkie rodzaje komórek i tkanek budujących organizm, a także struktury pozazarodkowe, takie jak błony płodowe czy łożysko; teoretycznie mają zdolność nieskończonego dzielenia się. Zygota oraz embrionalne komórki w pierwszych kilku podziałach komórkowych po zapłodnieniu są jedynymi komórkami, które są totipotencjalne. Różnicowanie komórkowe w postaci metylacji cytozyny DNA i modyfikacji histonów rozpoczyna się w stadium moruli/blastocysty. Komórki stają się pluripotentne (mogą z nich powstawać wszystkie komórki, z wyjątkiem struktur pozazarodkowych, komórek błon płodowych). Najwyższy stopień odbudowy wzoru epigenetycznego przypada na okres okołoporodowy, kiedy blisko 81% miejsc cytozynowych DNA jest zmetylowanych. W życiu po urodzeniu zaobserwowano postępującą hipometylację DNA. I tak, w wieku 26 lat blisko 78%, a w wieku starszym niż 70 lat 73% miejsc cytozynowych jest zmetylowanych. Na ten stan wpływa wiele czynników, spośród których czynnikiem wiodącym jest elongacja (wydłużanie) telomerów. Telomery to swoiste gatunkowo powtórzenia na końcach chromosomów nie zawierające sekwencji kodujących, a ich funkcja polega na stabilizacji i ochronie dystalnych odcinków chromosomów przed spontanicznym łączeniem się i degradacją wskutek działania nukleaz. Proces elongacji telomerów polega na zmianie ich struktury i wymianie między telomerami siostrzanych chromosomów i zachodzi mimo braku w komórkach zarodkowych aktywnej telomerazy katalizującej wydłużanie telomerów. Nazywany jest alternatywnym wydłużaniem telomerów (ang. alternative lenghtening of telomeres ALT). W życiu po urodzeniu kontrolę nad procesem wydłużania telomerów przejmuje enzym telomeraza. Występuje w intensywnie dzielących się komórkach macierzystych, a jej aktywność zmniejsza się z wiekiem w związku ze starzeniem się komórek. Komórki somatyczne pozbawione są telomerazy, co prowadzi, obok wpływu innych czynników, do starzenia replikacyjnego i ich śmierci.

Z dotychczasowych badań wynika, że pozasekwencyjne (epigenetyczne) zmiany mogą być dziedziczne, to jest mogą być przekazywane podczas replikacji do komórek potomnych i zachowane w trakcie mejozy do następnego pokolenia. Funkcjonalnie, dziedziczenie epigenetyczne dzieli się na przebiegające wewnątrz pokolenia lub między pokoleniami. To pierwsze dotyczy dziedziczenia wzoru metylacji DNA w sytuacji, gdy powstał on w odpowiedzi na czynnik działający bezpośrednio na dane pokolenie. Oznacza to, że ekspozycja na określony czynnik środowiskowy obejmuje F0 pokolenie rodzicielskie (ciężarną matkę), F1 zarodek lub płód pokolenia potomnego oraz F2 komórki generatywne płodu lub komórki zarodka, które w dalszej ontogenezie rozwiną się w komórki płciowe. Okazuje się, że dopiero pokolenie F3 jest tym, na które omawiany czynnik nie zadziałał bezpośrednio. Jeśli zatem w tym pokoleniu wystąpią modyfikacje epigenetyczne mówimy wówczas o dziedziczeniu epigenetycznym międzypokoleniowym.

W nowo powstałym DNA odtwarzany jest wzór metylacji cząsteczki pierwotnej w taki sposób, że po replikacji DNA (semikonserwatywnej) przyłączane są grupy metylowe do nowo zsyntetyzowanej nici DNA w miejscach komplementarnych do miejsc metylowanych w nici rodzicielskiej (metylacja zachowawcza) lub jak w przypadku metylacji de novo, do nowych miejsc. Przekazywanie wzoru epigenetycznego komplikuje zjawisko piętnowania gametycznego, nazywanego też imprintingiem. Zachodzi wówczas, gdy gen pochodzenia matczynego lub ojcowskiego jest silnie metylowany i albo wcale nie ulega ekspresji, albo tylko w niewielkim stopniu. Schematycznie przedstawia to rycina 3.11. W diploidalnym genomie (2n – składa się z dwóch zestawów chromosomów, po jednym od każdego z rodziców) część genów piętnowana (metylowana) jest ze strony matki, a część ojca. Natomiast komórki płciowe, plemniki i oocyty, są haploidalne (1n – to znaczy mają tylko jeden zestaw chromosomów). To, które geny będą piętnowane (metylowane) zależy od płci rodzica. Plemniki będą miały metylację genów piętnowanych po ojcu, a oocyty po matce. Po zapłodnieniu, w komórce jajowej oba haploidalne genomy, pochodzące od ojca i matki (z plemnika i oocytu) łączą się, stając się diploidalną zygotą, w której znów część genów posiada piętno po jednym z rodziców, a część po drugim. Gdy w wyniku rozwoju zygota rozwinie się w dojrzałego osobnika, u którego zacznie się proces gametogenezy (powstawanie oocytów i plemników), to cały cykl się powtarza. W niektórych przypadkach metylacja DNA nie jest jednak usuwana w trakcie gametogenezy, wówczas istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że będzie dziedziczona do następnego pokolenia (ujawni się u potomstwa).