فصل اول: زیست شناسی سلولی، 1.1. مقدمه ای بر سلول‌ها

مقدمه

زنجیره‌ای ناگسستنی از علایم حیات از اولین سلول‌های مشاهده شده بر روی کره زمین تا تمامی سلول‌های کشف شده در ارگانیسم‌های زنده وجود دارد. یوکاریوت‌ها ساختارهای سلولی پیچیده‌تری نسبت به پروکاریوت‌ها دارند. روند تکامل ارگانیسم­‌های پرسلولی، تمایز و جایگیری متناسب سلولی را ممکن ساخته­ است. تقسیمات سلولی برای تمامی ارگانیسم‌های زنده، ضروری می‌باشد ولی شیوه انجام آن در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها متفاوت است. با توجه به اینکه فرآیند تکامل، منجر به ایجاد یک دنیای زیستی با تنوعی فوق‌العاده شده است، مطالعه سلول‌ها می‌تواند اسرار و ‌شگفتی‌های جهان را به ما بیشتر نشان دهد. برای مثال ساختار منعطف و متحرک غشاهای سلولی به آن‌ها اجازه کنترل محتویات سلول را ‌می‌دهد.

مفاهیم

  • با توجه به نظریه سلولی، موجودات زنده از سلول‌ها تشکیل شده‌اند.
  • تمامی فعالیت‌های حیاتی موجوداتی که از یک سلول تشکیل شده‌اند در همان یک سلول انجام می‌شود.
  • نسبت سطح به حجم، عاملی بسیار مهم در محدود کردن اندازه سلول‌هاست.
  • ویژگی‌ها و مشخصه‌های موجودات پرسلولی، حاصل برهمکنش اجزای سلولی آن­‌هاست.
  • در موجودات پرسلولی، بافت‌های اختصاصی که مسئول یک عملکرد هستند از تمایز سلولی به وجود می‌آیند.
  • تمایز سلولی شامل بیان تعدادی از ژن‌های خاص و عدم بیان سایر ژن‌ها در محتوای ژنتیکی سلول می‌باشد.
  • قابلیت سلول‌های بنیادی در تمایز، تقسیم و ساخت رده‌های سلولی متفاوت در پیشرفت تکامل مراحل جنینی بسیار ضروری است. این ویژگی همچنین باعث می‌شود تا از سلول‌های بنیادی به عنوان یک گزینه مناسب برای درمان بعضی بیماری‌ها استفاده شود.

کاربرد علم

  • پرس و جو درباره نظریه سلولی به وسیله مطالعه مثال‌های غیر‌معمول، همچون عضلات مخطط، جلبک‌های غول‌پیکر و هیف‌های آسپتیک قارچی.
  • بررسی عملکردهای حیاتی در ارگانیسم پارامسی و موجودات تک سلولی فتوسنتز کننده.
  • استفاده از سلول‌های بنیادی برای درمان بیماری استارگارت[1] و سایر موارد مشابه
  • بررسی مباحث اخلاقی در مورد کاربرد درمانی سلول‌های بنیادی استخراج شده از جنین‌، خون بند ناف، نوزاد تازه متولد شده و بافت‌های بالغ انسانی در درمان بیماری­‌ها.

ماهیت علم

  • مطالعه روند‌ها و مثال‌های نقض: گرچه حیات اکثر موجودات منطبق با نظریه سلولی می‌باشد، اما مثال‌هایی که با این نظریه همخوانی ندارند نیز وجود دارد.
  • جنبه‌های اخلاقی پژوهش: امروزه پژوهش­‌های مرتبط با سلول‌های بنیادی در حال گسترش هستند و این امر اهمیت توجه به مسائل اخلاقی مرتبط را بیشتر می‌کند.

مهارت آموزی

  • استفاده از میکروسکوپ نوری برای مطالعه ساختار سلول‌ها و بافت‌ها
  • رسم ساختار‌های سلولی مشاهده شده به وسیله میکروسکوپ نوری
  • محاسبه بزرگنمایی اشکال رسم شده و اندازه واقعی آن‌ها

نظریه سلولی

موجودات زنده از سلول‌ها ساخته شده‌اند.

ساختار درونی موجودات زنده بسیار پیچیده است و از اجزای بسیار کوچکی تشکیل شده است. اندام‌هایی مانند چشم و کبد به راحتی قابل مشاهده هستند گرچه تا زمان اختراع میکروسکوپ، تقریباً چیزی از ساختار این بافت‌ها نمی‌دانستیم اما اگر این اندام‌ها را تشریح کنیم می‌توانیم ببینیم که چگونه از بافت‌های متفاوتی تشکیل شده‌اند، از قرن 17 میلادی به بعد، زیست‌شناسان به مطالعه بافت‌های جانوری و گیاهی به وسیله میکروسکوپ پرداخته‌اند. اگرچه تفاوت‌هایی میان ساختارهای بررسی شده وجود داشته است اما ویژگی‌های مشترک فراوانی نیز مشاهده شده است. در این میان نظریه سلولی به منظور توضیح ویژگی‌های اساسی ساختاری موجودات زنده ایجاد شده و توسعه پیدا کرد. بر مبنای این نظریه، سلول‌ها واحدهای سازنده حیات در تمامی موجودات زنده هستند. کوچکترین موجودات زنده یعنی تک سلولی‌ها، فقط از یک سلول و ارگانیسم‌های بزرگتر یعنی پرسلولی‌ها، از تعداد بسیار بیشتری سلول ساخته شده‌اند.

سلول‌ها در اندازه و ابعاد با هم بسیار متفاوت هستند اما در ویژگی‌های خاصی با هم اشتراکاتی نیز دارند:

  • تمام سلول‌های زنده به وسیله غشا احاطه شده‌اند و این غشا، محتویات سلول را از محیط بیرون جدا می­‌کند.
  • سلول‌ها در برگیرنده مواد ژنتیکی هستند. این مواد ژنتیکی، تمامی دستورالعمل‌های مورد نیاز برای فعالیت‌های سلول را بر روی خود ذخیره می‌کنند.
  • بسیاری از فعالیت‌های سلولی در حقیقت واکنش‌های شیمیایی هستند که به وسیله آنزیم‌های تولید شده توسط خود سلول‌ها، کاتالیز می شوند.
  • سلول‌ها سیستم تولید و آزادسازی انرژی مختص به خود را دارند که می‌­تواند انرژی مورد نیاز برای تمامی فعالیت‌های سلولی را تأمین کند.

بنابراین سلول‌ها را می‌­توان به عنوان کوچکترین واحد های زنده تعریف کرد، هیچ چیزی کوچکتر از آن‌ها زنده نمی‌ماند.

م

تناقضات نظریه سلولی

مطالعه گرایش­‌های موافق و مخالف نظریه سلولی: گرچه حیات اکثر موجودات منطبق با نظریه سلولی می‌باشد اما مثال‌هایی نیز دیده شده­اند که با این نظریه همخوانی ندارند.

یکی از اولین مراحل پژوهش علمی این است که به روند وقایع دقت کنیم، روند پیدایش وقایع به مواردی اطلاق می‌شود که به صورت عمومی و کلی رخ می­‌دهد نه صرفاً در یکسری موارد خاص. این روند‌ها می‌توانند منجر به توسعه وکشف یک نظریه شوند. یک نظریه علمی در حقیقت، راهی‌ست برای تفسیر جهان طبیعی پیرامون ما. نظریه‌ها به ما این امکان را می‌­دهند که بتوانیم وقایع را پیش­‌بینی و تحلیل کنیم. گاهی مثال‌های نقضی نسبت به روند عمومی مشاهده می‌شود. دانشمندان باید در مورد این موارد قضاوت کنند که آیا این مثال‌های نقض، متداولند و یا اینکه تناقض­‌های آن­‌ها آنقدر جدی است که باعث می شود تحلیل‌ها و پیش­‌بینی­‌های ما غیرقابل باور باشند. اگر اینگونه باشد نظریه­‌ی ما بی‌ارزش و رد شده خواهد بود. نظریه سلولی مثال خوبی ا‌ست از وضعیتی که دانشمندان باید به روندهای موافق و متناقض بصورت توامان توجه کنند.

رابرت هوک اولین کسی‌ بود که از کلمه سلول برای توصیف ساختارهای تشکیل دهنده موجودات استفاده کرد. او در سال 1665 و پس از بررسی کُرک و سایر اجزای گیاهان از این کلمه استفاده کرد. او همچنین برای توصیف سلول‌های کرک این چنین نوشت:

” این ساختار (سلول) چیزی نیست که صرفاً فقط در کرک دیده شود،  من در حین مطالعه گیاهان با میکروسکوپ این ساختار را در مغز یاس کبود، تقریباً تمامی درختان، مغز درونی توت فرنگی  و ریشه‌های سایر گیاهان مانند رازیانه، هویج، گل مروارید، بیدمشک، بوته خار،  برخی از انواع نی­ها، سرخس و …. نیز مشاهده کردم. این گیاهان  شمایلی مانند آن چیزی که من در کرک نشان دادم را دارند.

مم

همانطور که اشاره شد هوک صرفاً به مشاهده یک گیاه اکتفا نکرد با مطالعه دقیق روی سایر گیاهان توانست یک روند عمومی را کشف کند. از زمانی که هوک به این کشف مهم دست پیدا کرد تا به امروز، زیست‌شناسان بافت‌­های مختلفی از موجودات زنده را مطالعه کرده‌اند. تعداد بسیار زیادی از این بافت‌ها از واحد های سلولی تشکیل شده‌اند؛ پس بدین ترتیب تئوری سلولی بی ارزش و رد شده نیست. البته موارد متناقضی نیز کشف شده‌اند که در آن ها برخی از موجودات و یا بخشی از یک موجود دارای سلول‌‌های مرسوم (با ساختاری که بصورت متداول تعریف شده است) نیستند. در آینده،  ممکن است موارد متناقض بیشتری کشف شود ولی گرایش‌های موافق نظریه سلولی به قدری زیاد است که تقریباً رد شدن این نظریه غیر محتمل است، زیرا  تعداد بافت‌هایی که از سلول‌ها تشکیل شده‌اند، بسیار بی شمارند.

استفاده از میکروسکوپ نوری

استفاده از میکروسکوپ نوری به منظور مطالعه ساختار سلول‌ها و بافت‌ها

تلاش کنید تا جایی که می­توانید مهارت‌های خود را در استفاده از میکروسکوپ نوری تقویت کنید.

  • نام اجزای میکروسکوپ را بدانید.
  • بدانید که چگونه می‌­توان دقت[1] میکروسکوپ را به منظور مشاهده بهترین تصویر، تنظیم کرد.
  • از میکروسکوپ خود به خوبی مراقبت کنید تا در بهترین شرایط کاری خود بماند.
  • بدانید که چگونه باید مشکلات مربوط به میکروسکوپ را حل کرد.

تنظیم دقت

  • اسلاید شیشه‌ای (لام) را بر روی محل قرارگیری نمونه قرار دهید به گونه‌ای که بخش عمده اسلاید دقیقاً در وسط سوراخی که نور از آن عبور می‌کند، قرار گیرد.
  • همیشه ابتدا نور میکروسکوپ را بر روی روشنایی کم تنظیم کرده و سپس دقت عدسی‌های آن را تنظیم کنید. پس از تنظیم دقت و افزایش تمرکز روی نمونه (فوکوس) می توانید شدت نور را افزایش دهید.
  • ابتدا فوکوس را به وسیله پیچ بزرگ میکروسکوپ تنظیم کنید، زمانی که تصویر شفاف شد از پیچ کوچک برای تنظیم دقیق‌تر و بهتر استفاده کنید.
  • برای افزایش بزرگنمایی میکروسکوپ، اسلاید را دقیقاً در وسط محل قرارگیری نمونه قرار داده و سپس بزرگنمایی لنز را تنظیم کنید.

مراقبت کردن از میکروسکوپ

  • همیشه در زمان فوکوس، لنز و نمونه را جدا از هم نگه دارید و عمل تنظیم فوکوس را با رعایت فاصله کافی میان این دو انجام دهید.
  • پیش از قراردادن اسلاید بر روی محل قرارگیری نمونه، مطمئن شوید که اسلاید تمیز و خشک است.
  • هیچگاه سطح لنزها را به وسیله انگشتان و یا هرچیز دیگری لمس نکنید.
  • به منظور انتقال میکروسکوپ از جایی به جای دیگر، میکروسکوپ را با هر دو دست و از زیر آن بگیرید تا وزن میکروسکوپ به خوبی تقسیم شود.

انواع اسلایدها

  • اسلاید‌هایی که به وسیله میکروسکوپ بررسی می­‌کنیم، می‌توانند موقتی یا دائمی باشند.
  • ساخت اسلاید‌های دائمی به مهارت بالا و زمان بسیار زیادی نیاز دارد، بنابراین این اسلاید‌ها عمدتاً توسط متخصصین ساخته می‌شوند. اسلاید‌های دائمی بافتی از لایه‌ی بسیار نازکی از بافت ساخته می‌شوند.
  • ساخت اسلاید‌های موقتی، بسیار سریعتر و آسان‌تر است؛ بنابراین ما می‌توانیم آن­‌ها را برای خودمان بسازیم.

بررسی و رسم سلول‌های گیاهی و جانوری

تقریباً تمامی سلول‌ها بسیار کوچک‌تر از آن هستند که با چشم غیر مسلح دیده شوند، بنابراین استفاده از میکروسکوپ برای مطالعه آن­‌ها ضروری است. اگرچه سلول‌های بسیار متنوعی در قلمرو گیاهان و جانوران وجود دارد ولی معمولاً  تشخیص اینکه یک سلول جانوری‌ست یا گیاهی بسیار آسان است.

  • سلول‌ها را به صورت تک لایه بر روی اسلاید (لام) قرار دهید به گونه‌ای که ضخامت آن بیشتر از ضخامت یک سلول نباشد.
  • قطره‌ای آب و یا رنگ بر روی نمونه بریزید.
  • با دقت و به آرامی لامل را بر‌ روی قطره قرار دهید. دقت کنید که حباب زیر لامل تشکیل نشود.
  • لام را درون تکه­ای دستمال کاغذی تا شده قرار دهید و لامل را به آرامی فشار دهید تا مایع و یا رنگ اضافی خارج شود.

بهترین راه برای بررسی اسلاید آن است که آن را در نور کم بررسی کنید. اسلاید را زیر لنز حرکت دهید تا بخش عمده‌ای از آن در وسط میدان دید قرار گیرد، سپس نور را افزایش دهید. تعدادی از سلول‌هایی که زیر میکروسکوپ مشاهده می‌کنید را رسم کنید تا ساختار آن‌ها را به خاطر بسپارید.

حل مشکلات

  • مشکل: زمانی که فوکوس می­‌کنم چیزی قابل مشاهده نیست.
  • راه‌حل: مطمئن شوید که نمونه دقیقاً زیر لنز قرار گرفته باشد. اگر ابتدا فوکوس را با نور کم تنظیم کنید پیدا کردن نمونه بسیار راحت­تر خواهد بود.
  • مشکل: دایره‌ای با لبه‌ای سیاه‌رنگ و ضخیم دیده می شود.
  • راه‌حل: این دایره یک حباب هوا بر روی اسلاید است. نادیده‌اش بگیرید اما از این پس تلاش کنید که دیگر در حین ساخت اسلاید، حباب تشکیل نشود.
  • مشکل: با وجود اینکه بیشترین حالت فوکوس را تنظیم می کنم ولی بخش‌هایی از تصویر همچنان تار هستند.
  • راه‌حل: لنز و یا اسلاید دارای گرد و خاک هستند. از معلم خود بخواهید تا آن‌ها را تمیز کند.
  • مشکل: تصویر بسیار تاریک است.
  • راه‌حل: به وسیله تنظیم دیافراگم، میزان نور عبوری از نمونه را افزایش دهید.
  • مشکل: تصویر بسیار روشن است.
  • به وسیله تنظیم دیافراگم میزان نور عبوری از نمونه را کاهش دهید.

رسم سلول‌ها


رسم سلول‌های مشاهده شده به وسیله میکروسکوپ نوری 

رسم دقیق، ابزارمهمی برای به‌ خاطر سپردن شکل سلول‌ها و سایر ساختار‌های زیستی در ذهن است. معمولاً  خطوط طرح کشیده شده لبه‌های یک ساختار‌ را نشان می دهد. از کشیدن جزئیات غیر ضروری خودداری کنید و با سایه زدن بعضی جزئیات را نشان دهید. طرح­‌های کشیده شده از ساختار‌های مشاهده شده در میکروسکوپ، بزرگتر از اندازه واقعی آن ساختار خواهد بود. در صفحه 6، روش محاسبه بزرگنمایی یک شکل رسم شده از سلول و یا هر ساختار دیگری توضیح داده شده است. توجه کنید نسبت بزرگنمایی تمام اجزایی که رسم می­‌کنید باید با یکدیگر برابر باشند.

  • از یک مداد نوک تیز و سخت برای ترسیم یک خط صاف استفاده کنید.
  • خطوط را به دقت به یکدیگر متصل کنید تا ساختاری پیوسته مانند یک سلول پدید آید.
  • خطوط سلول را بدون خط‌کش رسم کنید ولی در نهایت از خط‌کش برای نشان دادن توضیحات عکس(برچسب) استفاده کنید.

محاسبه بزرگنمایی و اندازه واقعی

محاسبه بزرگنمایی و اندازه واقعی ساختارهای ترسیم شده در رسم‌ها و یا میکروگراف‌ها

ابعاد تصویر ساختارهایی که به وسیله میکروسکوپ به ‌آن‌ها نگاه می‌کنیم بزرگتر از ابعاد واقعی خود ساختارها می‌باشد. در حقیقت، میکروسکوپ آن‌ها را بزرگنمایی می‌کند. اکثر میکروسکوپ‌ها به ما اجازه می‌دهند که تصاویر را با دو یا سه بزرگنمایی مختلف ببینیم، این کار به وسیله چرخاندن و تغییر لنزهای میکروسکوپ امکان پذیر است. یک میکروسکوپ مدرسه‌ای معمولی، سه سطح بزرگنمایی دارد:

  1. 40 برابر ( نور کم)
  2. 100 برابر ( نور متوسط)
  3. 400 برابر ( نور شدید)

اگر ما از تصویر نشان داده شده در میکروسکوپ عکس بگیریم، می‌­توانیم تصویر را حتی بزرگتر هم بکنیم. به عکس‌هایی که از تصویر زیر میکروسکوپ گرفته می‌شود، میکروگراف می‌گویند. تعداد بسیار زیادی میکروگراف در این کتاب وجود دارد. به میکروگراف‌هایی که توسط میکروسکوپ الکترونی گرفته شوند، میکروگراف الکترونی می‌گویند.

زمانی‌که ما یک نمونه را رسم می‌کنیم، می‌توانیم شکل را بزرگتر یا کوچکتر بکشیم، بنابراین بزرگنمایی یک شکل ترسیم شده الزاماً مساوی با بزرگنمایی میکروسکوپ نیست.

برای محاسبه بزرگنمایی یک میکروگراف و یا یک شکل ترسیم شده نیاز داریم که دو چیز را بدانیم: اول اندازه تصویر(میکروگراف و یا شکل رسم شده) و دوم، اندازه واقعی نمونه.

فرمول محاسبه بزرگنمایی به شکل زیر است:

اگر سایز تصویر و بزرگنمایی را بدانیم می‌توانیم اندازه واقعی نمونه را محاسبه کنیم.

زمانی که از این فرمول استفاده می­‌کنیم، بسیار مهم است که واحدهای اندازه‌گیری مورد استفاده برای اندازه شکل و اندازه واقعی نمونه یکسان باشند. هر دو می­‌توانند میلیمتر(mm) یا میکرومتر(µm) باشند اما نباید با هم دیگر متفاوت باشند وگرنه محاسبات اشتباه خواهد بود. با ضرب میلیمتر در هزار می‌توانیم آن را به میکرومتر تبدیل کنیم و با تقسیم میکرومتر بر هزار می‌توانیم آن را به میلیمتر تبدیل کنیم.

نوار مقایسه[1] گاهی بر ‌روی میکروگراف و یا شکل، قرار داده می‌شوند. این خطوط مستقیم با اندازه‌ای واقعی، در حقیقت نشانگر مقیاس تصویر است. برای مثال اگر یک نوار مقایسه با طول واقعی 10 میلیمتر بر روی میکروگرافی با بزرگنمایی 10000 برابر وجود داشته باشد در حقیقت این خط بیانگر طول یک میکرومتر بر روی تصویر خواهد بود.

مثال‌ها:

طول یک تصویر 30 میلیمتر است. اندازه واقعی ساختار 3 میکرومتر است. بزرگنمایی تصویر را حساب کنید.

سنجش تئوری سلولی

پرس و جو کردن درباره نظریه سلولی به وسیله مثال‌های غیر معمول، همچون ماهیچه‌های مخطط، جبلک‌های غول پیکر و قارچ‌­های بدون دیواره عرضی

برای سنجش نظریه سلولی باید تا می‌توانید به ساختار موجودات زنده متفاوت به وسیله میکروسکوپ نگاه کنید. دستورالعمل‌های استفاده از میکروسکوپ در صفحه 4 ارائه شده است. در هر مشاهده، شما باید این سوال را از خودتان بپرسید که آیا موجود یا بافت مورد نظر با روند کلی مطرح شده در نظریه سلولی همخوانی دارد یا خیر.

سه مثال غیر مرسوم برای این سنجش، ارزش بررسی دارند:

  • ماهیچه‌های مخطط انواعی از بافت‌ها هستند که ما برای جابه‌جایی موقعیت و وضعیت بدنمان از آن‌ها استفاده می‌کنیم. واحد‌های سازنده این بافت‌ها، فیبر‌های ماهیچه‌ای هستند که تا حدودی به سلول‌ها شباهت دارند. این‌ فیبرها به وسیله غشاهایی احاطه می‌شوند و از تقسیم سلول‌های پیش‌ساز به وجود می‌آیند. این‌ سلول­‌ها ماده ژنتیکی مختص خود و سیستم تولید انرژی خاص خود را دارند اما با وجود همه این شباهت‌ها، نسبت به نمونه‌های متداول سلولی بسیار متفاوت هستند؛ و از اکثر سلول‌های جانوری بزرگتر هستند. در انسان‌، فیبرهای ماهیچه‌ای به طور میانگین حدود 30 میلیمتر طول دارند در حالی که طول سایر سلول‌های انسانی غالباً کمتر از 03/0 میلیمتر است. فیبرهای ماهیچه‌ای به جای داشتن یک هسته، تعداد هسته های بیشتری دارند که گاهی تا چند صد هسته نیز می‌رسد.
  • قارچ‌ها از ساختارهای نازک رشته مانندی به نام هیف تشکیل شده‌اند. این هیف‌ها معمولاً سفید رنگ و کرک مانند هستند. دارای یک غشای سلولی هستند که در ناحیه بیرونی آن یک دیواره سلولی خاص وجود دارد. در برخی از گونه‌های قارچی هیف به وسیله تیغه‌هایی به نام سپتا (دیواره عرضی) به بخش‌های کوچکتر سلول مانند، تقسیم شده‌ است. با این وجود در قارچ‌های آسپتیک(غیربیماری­زا)، سپتا وجود ندارد. هر هیف، از یک ساختار لوله مانند یکپارچه با تعداد بسیار زیادی هسته که در آن وجود دارد، تشکیل شده است.
  • موجودات تک سلولیبا وجود اینکه جلبک‌ها به وسیله فتوسنتز انرژی مورد نیاز خود را تأمین و ژن‌هایشان را در هسته ذخیره می‌کنند اما نسبت به گیاهان، ساختار و سازماندهی، ساده‌تر و ابتدایی‌تری دارند. بسیاری از جلبک‌ها تنها از یک سلول میکروسکوپی تشکیل شده‌اند. مقادیر بسیار زیادی از این جلبک‌های تک سلولی در اقیانوس‌ها وجود دارد و به عنوان پایه‌گذار اصلی اکثر زنجیره‌های غذایی دریایی شناخته می‌شوند. انواع کمی از این جلبک‌ها هستند که به میزان بیشتری رشد می‌کنند و بزرگ می‌شوند ولی همچنان تک‌سلولی هستند. به این جلبک‌ها، جلبک‌های غول‌پیکر می‌گویند؛ Acetabularia یکی از همین جلبک‌هاست. این جلبک با وجود اینکه تنها یک هسته دارد می‌تواند تا حدود 100میلیمتر رشد کند. اگر روزی موجود جدیدی به طول 100 میلیمتر مشاهده کنیم، قطعا توقع خواهیم داشت که چندین سلول داشته باشد نه یک سلول!

 

موجودات تک سلولی

موجوداتی هستند که تنها از یک سلول تشکیل شده­‌اند و تمامی اعمال حیاتی خود را در همان یک سلول انجام می‌دهند.

اعمال حیاتی، فرآیندهایی‌ هستند که تمامی موجودات برای زنده ماندن باید انجام دهند. برخی از موجودات تنها از یک سلول تشکیل شده‌اند که این سلول‌ باید تمامی فرآیندهای زیستی خود را به تنهایی انجام دهد. بنابراین ساختار یک موجود تک سلولی نسبت به یکی از سلول‌های یک موجود پرسلولی، پیچیده‌تر است.

موجودات تک سلولی حداقل هفت عمل حیاتی را در درون خود انجام می‌دهند:

  • تغذیه: دریافت غذا، تامین انرژی و مواد مورد نیاز برای رشد.
  • متابولیسم: واکنش‌های شیمیایی درون سلول شامل، تنفس سلولی تا آزادسازی انرژی.
  • رشد: افزایش بدون بازگشت ابعاد سلول.
  • پاسخ: توانایی واکنش نشان دادن به تغییرات محیطی.
  • دفع: رهایی ضایعات تولیدی حاصل از متابولیسم.
  • هموستازی: حفظ شرایط درونی موجود در محدوده قابل تحمل برای آن.
  • تولید مثل: تولید زاده چه به‌ صورت جنسی و چه به صورت غیر جنسی.

همچنین بسیاری از تک‌سلولی‌ها، توانایی حرکت دارند اما برخی در وضعیت ثابت و برخی دیگر شناور در آب یا هوا قرار می‌گیرند.

محدودیت اندازه سلول

نسبت سطح به حجم، در محدود کردن اندازه سلول بسیار مهم است.

در سیتوپلاسم سلول‌ها، تعداد بسیار زیادی واکنش شیمیایی در جریان است. این واکنش‌ها به طور کلی به عنوان متابولیسم سلولی شناخته می‌شوند. میزان وقوع  این واکنش‌ها ( نرخ متابولیکی سلول) متناسب با حجم سلول است.

بنابراین نسبت سطح به حجم یک سلول بسیار مهم است. اگر این نسبت بسیار کوچک باشد، نرخ ورود مواد بسیار کندتر از آن چیزی خواهد بود که برای سلول مورد نیاز است و همچنین به دلیل اینکه سرعت تولید مواد دفعی از سرعت خروج آن‌ها از سلول بیشتر است مواد دفعی نیز در سلول تجمع می‌کنند.برای ادامه متابولیسم، مواد مورد استفاده در واکنش باید توسط سلول جذب و مواد دفعی به طور پیوسته دفع شوند. مواد از طریق غشای پلاسمایی که سطح سلول را تشکیل می دهد به آن وارد یا از آن خارج می‌شوند؛ در نتیجه نرخ ورود و خروج مواد از سلول، به میزان سطح سلول بستگی دارد.

علاوه‌ بر این نسبت سطح به حجم در تنظیم گرمای تولیدی و آزاد شده توسط سلول نیز مهم است. اگر این نسبت بسیار کوچک باشد، سلول به واسطه کندتر بودن سرعت آزاد سازی گرما از سطح، نسبت به سرعت تولید آن (که ناشی از متابولیسم درون سلولی است) بیش از اندازه گرم می‌شود.مم

عملکرد‌های حیاتی در موجودات تک سلولی

بررسی عملکرد‌های حیاتی در پارامسی و موجودات تک سلولی فتوسنتز کننده

پارامسی یک تک سلولی است که می‌توان به راحتی آن را در آزمایشگاه کشت داد. مقداری آب از یک تالاب جمع کنید، این آب را درون سانتریفیوژ قرار دهید تا میکروارگانیسم‌های آن، در یک محل جمع شوند و در نهایت مشاهده کنید که آیا در آب، پارامسی وجود دارد یا خیر.

قطره‌ای از محتوای محیط حاوی پارامسی را روی یک اسلاید بگذارید، لاملی بر روی آن قرار دهید و اسلاید را به وسیله میکروسکوپ بررسی کنید.

کلامیدوموناس یک جلبک تک سلولی ا‌ست که در خاک و آب‌های شیرین زندگی می‌کند. این موجود به شکل وسیعی در مطالعات زیست‌شناسی سلولی و مولکولی مورد استفاده قرار گرفته است. اگرچه این موجود سبز رنگ و فتوسنتز کننده است ولی یک گیاه واقعی نیست و دیواره سلولزی ندارد

موجودات پر سلولی

موجودات پرسلولی، ویژگی‌هایی دارند که از برهمکنش میان اجزای سلولی آن‌ها با یکدیگر حاصل می‌شود.

برخی موجودات تک‌سلولی، مانند جلبک volvox aureus به صورت کلنی‌ زندگی می‌کنند. هر کلنی متشکل از یک کره ژلاتینی از جنس پروتئین است که بیش از 500 سلول یکسان به سطح آن متصل شده است. شکل شماره 13 دو کلنی را نشان می‌دهد که کلنی‌های دختری در حال شکل‌گیری در آن‌ها هستند. اگرچه این سلول‌ها با هم همکاری دارند اما به منظور ایجاد یک توده سلولی واحد، با یکدیگر تلفیق نشده‌اند و یک ارگانیسم را تشکیل نمی‌­دهند.

طول بدن بالغ این جاندار حدود یک میلیمتر و دقیقاً دارای 959 سلول است. این تعداد سلول برای این موجود ممکن است زیاد به نظر برسد ولی بسیاری از موجودات پرسلولی تعداد سلول بیشتری دارند. در بدن انسان بیش از ده‌­ها میلیون و در درختان بلوط یا وال‌ها بسیار بیشتر از این سلول وجود دارد.موجوداتی که از یک توده سلول متصل به هم  تشکیل شده‌­اند موجودات پرسلولی نامیده می‌­شوند. یکی از موجودات پرسلولی که مطالعات بسیاری بر روی آن انجام شده‌است، کِرم الگانس[1] می‌باشد.

اگرچه برای زیست‌شناسان کرم الگانس بسیار شناخته شده‌ است ولی این جاندار نام متداولی که به آن شهرت یافته باشد ندارد و در مواد آلیِ در حال تجزیه و به دور از دید انسان‌ها زندگی می‌کند. این کرم از باکتری‌های تجزیه کننده مواد آلی تغذیه می‌کند. C.elegans  یک دهان، حلق، روده و مخرج دارد، هرمافرودیت است یعنی هم اندام‌های تولید مثلی نر و هم ماده را دارد وتقریباً یک سوم از سلول‌هایش را نورون‌ها و یا سلول‌های عصبی تشکیل می دهند. اکثر این نورون‌ها در قسمت جلویی کرم و در جایی که به عنوان مغز جانور از آن یاد می‌شود، قرار دارند.

اگرچه مغز در C.elegans پاسخ‌های جانور به تغییرات محیطی را هماهنگ می‌کند ولی روی کنترل تکوین و رشد سلول‌هایش تاثیری ندارد. گروه های سلولی در این جانور و سایر موجودات پرسلولی به عنوان گروه‌هایی هماهنگ با هم شناخته می‌شوند، بدون اینکه سلولی نقش رهبر یا سرپرست را ایفا کند. اینکه چگونه هر کدام از سلول‌ها می‌توانند خود را سازماندهی کنند و با تعامل و برهمکنش با دیگر سلول‌ها یک موجود زنده با ویژگی‌هایی کامل متنوع ایجاد کنند، بسیار حیرت­‌آور است. ویژگی‌­هایی از یک موجود که آن را به عنوان مثال یک موجود زنده معرفی می کندبه عنوان ویژگی‌های برآینده(ظهوری) آن موجود شناخته می‌شود.

نظریه علم
چگونه می‌توانیم تصمیم بگیریم که کدام مدل بهتر از دیگری ا‌ست؟

یک ویژگی ظهوری از یک سیستم، در حقیقت ویژگی یک جزء از آن سیستم نیست بلکه ویژگی کلی آن سیستم به عنوان یک کل است. عنوان ویژگی ظهوری به میزان پیچیدگی آن سیستم و یا الگوهای دخیل در آن که از اجزای کوچک بیشمار و برهمکنش‌های ساده ناشی می‌شود، اشاره دارد. ما لزوماً نمی‌توانیم با مطالعه جداگانه هر جزء از سیستم (نگاه جزئی نگر) به ویژگی‌های ظهوری آن پی ببریم. با این وجود، زیست‌شناسی مولکولی یک مثال موفق در مورد استفاده از نگاه جزئی‌­نگر است. بسیاری از فرآیندهایی که در یک موجود زنده دیده می­‌شوند، در سطح مولکولی قابل توضیح هستند. اما با این وجود بسیاری معتقدند که نگاه جزئی­‌نگر نمی‌تواند در مطالعه ویژگی‌های ظهوری همچون هوش، هشیاری و سایر جنبه‌‌های روانشناختی انسان مفید باشد. میزان اهمیت ارتباطات درونی میان اجزای سیستم اگر از عملکرد هر کدام از اجزا به طور جداگانه بیشتر نباشد، کمتر نیست. یک استراتژی که برای مطالعه ارتباطات درونی و ویژگی‌های ظهوری، مورد استفاده محققین قرار گرفته‌است، مدل سازی رایانه‌ای می‌باشد. یکی از نمونه­‌های این مدل سازی برنام‌ه­ای است که به وسیله جان کانوی(John Conway) طراحی شد و هم اکنون در اینترنت قابل دسترس است. در این برنامه هم رفتار جانوران و هم اکولوژی جامعه در قالب یک برنامه تحت عنوان بازی زندگی مورد استفاده قرار گرفت. این برنامه “بازی زندگی” را به وسیله ساخت وضعیت و شمایل ابتدایی سلول‌ها بسنجید و ببینید که چگونه آن­‌ها تکامل پیدا می‌کنند. روش‌هایی که در آن­‌ها از مدل­‌ها استفاده می­‌شود را مطالعه کنید.

 

ویژگی‌های برآینده از برهمکنش میان اجزای مختلف یک ساختار پیچیده ایجاد می‌شوند. گاهی ما این مسئله را اینگونه بیان می‌کنیم: کلِ هر چیزی، فراتر از مجموع اجزای آن است. مثالی ساده از ویژگی ظهوری در نوشته‌ای فلسفلی به زبان چینی در 2500 سال پیش آورده شده است: کوزه‌ها از خاک ساخته می‌شوند اما این فضای توخالی وسط آن است که موجب می‌شود، کوزه عملکرد داشته باشد. بنابراین در زیست‌شناسی، ما می‌توانیم تحقیقاتمان را با مطالعه هر جزء از یک کل بزرگتر جلو ببریم ولی باید به‌خاطر داشته باشیم نتایج بزرگتر و دقیق‌تر از بررسی برهمکنش میان اجزا به دست می‌آیند.

تمایز سلولی در موجودات پرسلولی

بافت‌های تخصصی شده از تمایز سلولی، در موجودات پرسلولی به وجود می‌آیند.

در موجودات پرسلولی، سلول‌های مختلف عملکرد‌های متنوعی دارند. اکثر مواقع این مسئله به عنوان تقسیم کار مطرح می‌شود. به بیان ساده‌تر، عملکرد، در حقیقت یک کار یا یک وظیفه است. برای مثال عملکرد گلبول قرمز، نقل و انتقال اکسیژن است یا عملکرد سلول‌های استوانه‌ای در شبکیه‌ی چشم، جذب نور و ارسال پیام­‌های عصبی به مغز است. غالباً گروهی از سلول‌ها که عملکردی یکسان دارند، به روشی یکسان نیز تخصصی می‌شوند. به این گروه از سلول‌ها، بافت می‌گویند.

تخصصی شدن سلول‌ها و انجام دادن یک وظیفه مشخص باعث بهینه‌تر شدن عملکرد آن‌ها نسبت به زمانی که تخصصی نیستند و وظایف متعددی دارند، می‌شود. سلول‌های تخصصی می‌توانند ساختارهایی ایده‌آل به همراه آنزیم‌هایی که برای هرچه بهتر انجام دادن عملکردشان مورد نیاز است بسازند. فرآیند تکاملی در سلول­‌ها به روش­‌های مختلف که باعث ایجاد عملکردهای متفاوت در آن­‌ها می­‌شود، تمایز نام دارد. تا کنون 220 نوع سلول کاملاً تخصص یافته و متفاوت در انسان شناسایی شده‌اند که طی روند تکامل خود تمایز یافته اند.

بیان ژن و تمایز سلولی

تمایز سلولی شامل بیان تعدادی از ژن‌های خاص و عدم بیان سایر ژن‌ها در محتوای ژنتیکی سلول می‌باشد.

در موجودات پرسلولی انواع متفاوتی از سلول­‌ها وجود دارد ولی محتوای ژنتیکی همگی آن‌ها یکسان است. در بدن انسان 220 نوع سلول متمایز وجود دارد که از نظر ویژگی­‌های شکلی و عملکردی متفاوت هستند ولی محتوای ژنتیکی آن­‌ها یکسان است.. برای مثال سلول‌های استوانه‌ای در شبکیه چشم، رنگدانه­‌هایی برای جذب نور تولید می‌کنند. بدون این رنگدانه‌ها، سلول‌های استوانه‌ای قادر به انجام وظیفه خود نیستند و توانایی درک نور را ندارند. یک سلول عدسی چشم هیچ رنگدانه­‌ای تولید نمی‌کند و کاملاً شفاف است

اگر این سلول، رنگدانه داشته باشد، به مراتب نورکمتری از آن عبور می‌کند و بینایی ما با ضعف و مشکل مواجه می‌شد. ژن ساخت رنگدانه در محتوای ژنتیکی هر دو سلول  وجود دارد ولی پروتئین های مرتبط با تولید رنگدانه از روی این‌ ژن‌ها تنها در سلول‌های استوانه‌ای تولید می‌شود و به عبارت دیگر این ژن ها فقط در این سلول ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در حقیقت تک تک سلول‌های بدن که عملکردهای متنوعی دارند به جای اینکه فقط ژن‌های مورد نیاز خودشان را داشته باشند، تمامی محتوای ژنتیکی از جمله ژن‌هایی که باعث تمایز آن‌ها به تمامی تیپ‌های سلولی ممکن می‌شود را دارند. تقریباً 25000 ژن در ژنوم انسان شناسایی شده‌اند و این ژن‌ها همگی در محتوای ژنتیکی یک سلول وجود دارند؛ با این وجود در اکثر انواع سلولی با توجه به عملکرد سلول­‌ها کمتر از نصف این ژن­‌ها مورد نیاز است و از روی آن­‌ها پروتئین ساخته می­‌شود.

زمانی که از روی یک ژن در سلول استفاده می­‌شود می‌گوییم آن ژن بیان شده‌ است یا به اصطلاح، آن ژن روشن شده‌­است و اطلاعاتی که بر روی آن ذخیره شده­‌ است به منظور تولید پروتئین و یا سایر محصولات ژنی، مورد استفاده قرار می­‌گیرد. مراحل تکوین یک سلول شامل روشن و بیان شدن تعداد مشخص و خاصی از ژن‌ها و روشن نشدن مابقی ژن‌هاست. کنترل بیان ژن‌ها در تنظیم تکوین سلولی نقش بسیار مهمی دارد زیرا تمایز سلولی در انواع مختلفی از سلول­‌ها، باعث بیان توالی مختلفی از ژن‌ها می‌شود.

یک مثال عمیق از فرآیند تمایز، مربوط به گروه بزرگی از ژن‌ها در انسان است که وظیفه ذخیره‌سازی اطلاعات مرتبط با ساخت گیرنده‌های بویایی را دارند. این ژن‌ها تنها در سلول‌های پوششی درون بینی (که سلول‌های بویایی نامیده می‌شوند) بیان می‌شوند. هر کدام از این سلول‌ها تنها یکی از این ژن‌ها را بیان می‌کند، در نتیجه هر سلول تبدیل به یک تیپ خاص گیرنده بویایی می‌شود که تنها می‌تواند یک بو را تشخیص دهد. اینچنین ما تفاوت میان بوهای مختلف را تشخیص می­دهیم. ریچارد اکسل[2] و لیندا باک[3] برای مطالعاتشان بر روی این سیستم، در سال 2004 موفق به دریافت جایزه نوبل شدند.

سلول‌های بنیادی

قابلیت سلول‌های بنیادی در تمایز، تقسیم و ساخت رده‌های سلولی متفاوت در پیشبرد پیشرفت تکامل مراحل جنینی بسیار ضروری است. این ویژگی همچنین باعث می شود تا از سلول‌های بنیادی به عنوان یک گزینه مناسب برای درمان بعضی بیماری ها استفاده شود.

زندگی یک جانور جدید با لقاح یک اسپرم با یک سلول تخمک به منظور ساخت زیگوت آغاز می‌شود. زمانی که زیگوت به دو سلول تقسیم شود، جنین به وجود می‌آید. این جنین دو سلولی، در ادامه مدام تقسیم می‌شود و یک جنین چهار سلولی، سپس هشت سلولی، شانزده سلولی و …. ایجاد کند. در این مراحل اولیه از تکوین جنینی، سلول‌ها پتانسیل تقسیم مکرر به منظور ایجاد مقادیر عظیمی از توده سلولی را دارند. همچنین در این وضعیت، سلول‌ها فوق‌العاده تطبیق‌پذیر هستند و می‌توانند از مسیر‌های مختلفی به انواع متفاوتی از سلول­‌ها تمایز یابند. در قرن 19 میلادی، به زیگوت و سلول‌هایی که در مراحل اولیه از تکوین جنینی قرار دارند سلول بنیادی گفته شد، به معنای اینکه تمامی بافت‌های بالغ از آن سلول‌ها منشا می‌گیرند.

سلول‌های بنیادی دو ویژگی اساسی دارند که امروزه آن‌ها را به یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های تحقیق و پژوهش در زیست‌شناسی و پزشکی تبدیل کرده است:

  • سلول‌های بنیادی می‌توانند بارها و بارها به منظور تولید کپی های فراوان از خود به سلول‌های جدید تقسیم شوند. به همین دلیل سلول‌های بنیادی برای رشد بافت‌ها و جایگزین شدن سلول‌هایی که از بین رفته‌اند و یا آسیب دیده‌اند بسیار مفید هستند.
  • سلول‌های بنیادی بصورت کامل تمایز نیافته‌­اند این سلول‌ها می‌توانند از طریق مسیرهای مختلف به انواع متنوعی از سلول ها تمایز یابند.

با توجه به ویژگی‌های مطرح شده، سلول‌های بنیادی می‌توانند برای بازسازی بافت‌های آسیب­ دیده تقسیم شوند و به عنوان مثالً برای درمان ضایعات پوستی ناشی از سوختگی مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین می‌توانند برای درمان‌ بیماری‌هایی مانند دیابت نوع I که به علت فقدان و یا از کارافتادگی نوع خاصی از سلول­‌ها رخ می دهد، به کار گرفته شود. در آینده این سلول‌ها می‌توانند برای ساخت یک اندام جایگزین کامل، مانند کبد یا قلب، به کار گرفته شوند. کاربرد سلول‌های بنیادی در ترمیم و بهبود بیماری‌ها کاربرد درمانی نامیده می‌شود زیرا در حقیقت، باعث ایجاد روشی درمانی برای بیماری‌ها و یا سایر مشکلات مرتبط با سلامتی می­‌گردد.

سلول‌های بنیادی جنینی برای اهداف غیر درمانی نیز به کار گرفته می‌شوند. برای مثال می‌توان از آن‌ها در ساخت رشته‌های ماهیچه مخطط و یا گوشت به منظور مصرف انسانی استفاده شود. ممکن است در آینده برگرهای گوشتی به جای آنکه از گاو و طی فرایندهایی همچون سلاخی و… تولید شوند از سلول‌های بنیادی به دست بیایند.

در مراحل نخست تکوین جنینی، سلول‌های بنیادی بسیار تطبیق پذیر هستند. عموماً این سلول­‌ها در طی تکوین جنین، به الگویی خاص از تمایز پاسخ می‌­دهند. این الگو در حقیقت مجموعه‌ای از مراحلی است که سلول در آن‌ها تصمیم می‌گیرد از طریق یک مسیر خاص و یا مسیر دیگری تکامل یابند. در نهایت هر سلول مقید می‌شود که به یک نوع خاصی از جمعیت سلولی تکوین یابد. زمانی‌که سلول مقید شد، ممکن است همچنان توان تقسیم داشته باشد ولی تمامی این سلول‌ها (که برای ایجاد یک بافت یا نوع خاصی از یک سلول مقید شده اند و در حال تقسیم هستند) همگی در مسیری یکسان و به هدفی مشخص تمایز می‌یابند و دیگر در این مرحله این­‌ها سلول بنیادی نیستند.

کاربردهای درمانی سلول‌های بنیادی

استفاده از سلول‌های بنیادی به جهت درمان بیماری stargardt و سایر موارد مشابه

در حال حاضر تعداد محدودی روش درمانی بر پایه سلول‌های بنیادی وجود دارد اما در آینده طیف وسیعی از  این روش‌های درمانی معرفی خواهد شد، بسیاری از این روش‌ها اکنون در فاز تحقیقاتی- مطالعاتی هستند. در این مطلب دو مثال را بررسی می‌کنیم: یک مثال از کاربرد سلول‌های بنیادی جنینی و دیگری کاربرد سلول‌های بنیادی بالغ.

بیماری stargardt

نام کامل این بیماری stargardt’s macular dystrophy‌ است. این ضایعه یک بیماری ژنتیکی‌ست که در کودکان 6 تا 12 سال به وجود می‌آید. بسیاری از مبتلایان به این بیماری، دارای جهشی مهار کننده برای ژن ABCA4 هستند. این جهش باعث از کارافتادگی یک پروتئین غشایی می­شود که وظیفه نقل و انتقال فعال در غشای سلول شبکیه چشم را برعهده دارد. در اثر این کمبود، سلول‌های دریافت کننده نور در شبکیه است تحلیل رفته قادر به پاسخ به نور نخواهند بود و در ادامه باعث کاهش شدید بینایی در فرد ایجاد می شود. در موارد پیشرفته و شدید این بیماری، فرد بیمار کاملاً بینایی خود را از دست می‌دهد و نابینا می‌گردد.

محققان روش‌هایی برای ترغیب سلول‌های بنیادی جنینی به منظور تمایز به سلول‌های شبکیه یافته‌اند. برای مطالعه دقیق تر از مدل‌های موشی استفاده شد و پس از ایجاد شرایط مشابه بیماری stargardt در مدل موشی، ابتدا این روش روی سلول‌های بنیادی موشی به چشم موشی که دارای شرایطی مشابه بیماری stargardtبود، تزریق شد. سلول‌های تزریق شده توسط بدن موش پس زده نشدند و همچنین تومور و یا مشکلات دیگری ایجاد نکردند. سلول‌ها به سمت شبکیه حرکت کردند، به آن متصل شدند و همان جا مستقر شدند. این روش به طور امیدوارکننده‌ای منجر به افزایش توان بینایی موش شد.

در نوامبر 2010، محققانی در ایالات متحده امریکا توانستند تأییدیه وزارت بهداشت کشور خود را برای استفاده از این روش در درمان نابینایی بیماری stargardt در انسان را دریافت کنند. به وسیله همین روش به چشم خانمی حدوداً 50 ساله‌ که مبتلا به ‌ stargardt بود، 50هزار سلول شبکیه ساخته شده از سلول‌های بنیادی جنینی تزریق شد. سلول‌های تزریق شده به سمت شبکیه رفته و در آن محل مستقر شدند در طول دوره کارآزمایی به مدت چهار ماه در همان محل باقی ماندند. پس از این درمان، بینایی بیمار بهبود یافت و هیچ عوارض جانبی نیز گزارش نشد.

کارآزمایی‌های بیشتر نیازمند جمعیت بیشتری از بیماران است ولی همین کارآزمایی‌های اولیه می‌توانند ما را نسبت به توسعه یک روش درمانی مبتنی بر سلول‌های بنیادی برای بیماری stargardt امیدوار سازد.

لوسمی[4] (سرطان خون)

لوسمی یک نوع سرطان است. تمامی سرطان‌ها از جهش‌هایی که در ژن‌های کنترل کننده تقسیم سلولی رخ می‌دهد، به وجود می‌آیند. برای بروز سرطان باید تعدادی جهش مشخص در این ژن‌ها در یک سلول واحد انجام شود. خیلی بعید است که این اتفاق رخ دهد ولی به دلیل اینکه در بدن ما تعداد بی‌شماری سلول وجود دارد در نتیجه شانس کلی وقوع همچین اتفاقی بالا می‌رود. لوسمی بیماری­­‌ای است که در بیش از یک چهارم افراد مبتلا به سرطان در جهان، شناسایی می­‌شود و سالیانه باعث مرگ و میر 200 هزار نفر می­‌گردد.

زمانی‌که جهش‌های القا کننده سرطان در یک سلول اتفاق بیفتند، سلول بطور مداوم رشد کرده و تقسیم می‌شود. لوسمی در حقیقت در اثر تکثیر غیر قابل کنترل سلول­‌های خونی و تولید بسیار زیاد گلبول­‌های سفید ایجاد می‌­شود. در اکثر سرطان‌ها بر خلاف لوسمی، سلول‌های سرطانی توده و یا تومور می‌سازند. گلبول‌های سفید در مغز استخوان از بافتی نرم در مرکز فضای خالی استخوان‌های بزرگ مانند استخوان ران، تولید می‌شوند. پس از آن، چه در حالت عادی و چه در حالت سرطانی، گلبول­‌های سفید تولید شده به خون ریخته می‌شوند. تعداد گلبول‌های سفید یک فرد بالغ سالم باید در حدود 4000 تا 11000 عدد سلول در واحد میلیمتر مکعب از خون باشد. در فرد مبتلا به لوسمی این مقدار بسیار بیشتر خواهد بود به گونه‌ای که  فردی با بیش از 30000 گلبول در هر میلیمتر مکعب خون  به احتمال فراوان مبتلا به لوسمی است. اگر در هر میلیمتر مکعب از خون بیش از 100000 گلبول سفید وجود داشته باشد، بسیار محتمل است که فرد به نوع حادی از لوسمی مبتلا شده باشد.

برای درمان لوسمی، باید سلول‌های سرطانی مغز استخوان که بیش از حد گلبول سفید تولید می‌کنند، از بین بروند. برای این کار از داروهای شیمیایی که سلول‌های تقسیم شونده را نابود می‌کنند، استفاده می‌شود. به این روش درمانی، شیمی درمانی گفته می‌شود. با این وجود، برای آنکه بیمار به شکل طولانی مدتی سالم بماند، باید قادر به تولید گلبول‌های سفید برای مبارزه با سایر بیماری‌ها باشد. سلول‌های بنیادی می‌توانند سلول‌های خونی که در حالت نرمال در بدن حضور دارند ولی به واسطه شیمی درمانی از بین رفته‌اند را طی فرآیند زیر مجدداً تولید کنند.:

  • یک سوزن بزرگ در یک استخوان بزرگ، عموماً استخوان لگن، وارد می‌شود و مایع درون آن استخوان را خارج می‌کند.
  • سلول‌های بنیادی از این مایع، استخراج و سپس به منظور ذخیره‌سازی فریز می‌شوند. این سلول‌ها، سلول‌های بنیادی بالغ هستند و توانایی تولید سلول‌های خونی را دارند.
  • به منظور از بین بردن تمامی سلول‌های سرطانی درون مغز استخوان، یک دوز بالا از داروی شیمی درمانی به بیمار داده می‌شود. پس از آن، مغز استخوان توان خود در تولید سلول‌های خونی را از دست می‌دهد.
  • در بسیاری از موارد این روش لوسمی را به شکل کامل درمان کرده است.سپس سلول‌های بنیادی به بدن بیمار بازگردانده می‌شوند، به مغز استخوان می‌روند و آن‌جا شروع به تقسیم و ساخت گلبول‌های سفید و قرمز می‌کنند.

مباحث اخلاقی پژوهش‌های سلول‌های بنیادی

جنبه‌های اخلاقی پژوهش: امروزه تعداد پژوهش­‌های مرتبط با سلول‌های بنیادی در حال افزایش هستند و این امر اهمیت توجه به مسائل اخلاقی مرتبط را دوچندان می‌کند.

تحقیق روی سلول‌های بنیادی بسیار بحث برانگیز بوده است و نگرانی‌های اخلاقی بسیاری در این زمینه مطرح شده‌است. دانشمندان باید پیش از انجام یک پژوهش، ابعاد اخلاقی آن را نیز در نظر بگیرند. برخی از پژوهش‌هایی که در گذشته انجام شده‌اند، ممکن است با معیار‌های اخلاقی امروزی قابل انجام نباشند، مانند تحقیقات درمانی که بدون رضایت بیمار در مورد وی انجام شده‌اند. تصمیم‌گیری برای اینکه آیا یک پژوهش از لحاظ اخلاقی قابل قبول هست و یا نه باید بر پایه فهم دقیقی از جنبه‌های علمی آن پژوهش باشد. برخی از افراد، تمام پژوهش‌های سلول‌های بنیادی را غیر اخلاقی می‌دانند زیرا فهم دقیق و کاملی از منابع استخراج سلول‌های بنیادی ندارند. در بخش بعدی به منابع استخراج سلول‌های بنیادی و مباحث اخلاقی پیرامون هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.

منابع استخراج سلول‌های بنیادی و مباحث اخلاقی استفاده از آن‌ها

مباحث اخلاقی کاربرد درمانی از سلول‌های بنیادی استخراج شده از جنین‌، خون بند ناف، نوزاد تازه متولد شده و بافت‌های بالغ انسانی.

سلول‌های بنیادی را می‌توان از منابع مختلفی به دست آورد.

  • جنین‌ها را می‌توان به طور آزمایشگاهی و از لقاح یک اسپرم با یک تخمک به وجود آورد، سپس اجازه داد که زیگوت چند روزی رشد کند تا به چیزی حدود 4 تا 16 سلول برسد. تمامی سلول‌های به دست آمده سلول‌های بنیادی جنینی هستند.
  • خون به دست آمده از بند ناف یک نوزاد تازه متولد شده دارای سلول‌های بنیادی ا‌ست. می‌توان این سلول‌ها را برای مصارف بعدی مرتبط با سلامتی همان نوزاد، فریز و ذخیره سازی کرد.
  • سلول‌های بنیادی را می‌توان از تعدادی از بافت‌های بالغ مانند مغز استخوان جداسازی کرد.

از هر کدام از این منابع، سلول‌های بنیادی با ویژگی‌هایی مختلف و کاربردهای درمانی متفاوت به دست می‌آید. در جدول زیر مشخصه‌های سلول‌های بنیادی اسخراج شده از هر کدام از منابع بالا به منظور ارائه مبناهای علمی مورد نیاز برای ارزیابی‌های اخلاقی، آورده شده‌است.

سلول­‎‌های بنیادی جنینی سلول­‌های بنیادی خون بند ناف سلول­‌های بنیادی بالغ
* رشدی تقریباً نامحدود

 

* می­‌توانند به هر نوع سلولی در بدن تمایز بیابند.

 

* دارای ریسک بیشتری از نظر احتمال تشکیل تومور نسبت به سلول­های بنیادی بالغ، از جمله احتمال بالای تشکیل تراتوما (نوعی تومور که بافت های متفاوتی دارد).

 

* احتمال کمتر رخ دادن آسیب­‌های ژنتیکی ناشی از جمع شدن جهش‌­ها در این سلول­‌ها نسبت به سلول­‌های بنیادی بالغ.

 

* به احتمال فراوان از لحاظ ژنتیکی، با بیمار بالغی که بافت ساخته شده از این سلول­‌ها را دریافت می­‌کند، متفاوت خواهد بود.

 

* جدا کردن سلول‌ها از جنین، آن را می‌کشد مگر اینکه تنها یک یا دو سلول جدا شود.

* به راحتی قابل جداسازی و دسته بندی هستند.

 

* مجموعه­‌های تجاری و خدمات ذخیره­‌سازی آن­‌ها در حال حاضر وجود دارد.

 

* کاملاً با بافت­‌های بالغی که از نوزاد رشد می‌کنند سازگار است، بنابراین در این سلول­‌ها مشکل رد پیوند وجود ندارد.

 

* ظرفیت محدودی در تمایز به انواع سلول‌­ها دارند. به طور طبیعی به سلول­‌های خونی تمایز می‌­یابند اما تحقیقات بیشتر ممکن است امکان تمایز این سلول­‌ها به سایر تیپ­‌های سلولی را نیز فراهم کند.

 

* تعداد محدود سلول­‌های بنیادی قابل استخراج، از خون بند ناف یک نوزاد.

 

* بند ناف یک عضو دور ریختنی است چه سلول بنیادی از آن استخراج شود چه نشود.

* دست‌یابی به این­ سلول­‌ها دشوار است زیرا هم تعداد کمی دارند و هم در اعماق بافت قرار دارند.

 

* پتانسیل رشد کمتری نسبت به سلول­‌های بنیادی جنینی دارند.

 

* احتمال تشکیل تومورهای بدخیم توسط این سلول­‌ها نسبت به سلول­‌های بنیادی جنینی کمتر است.

 

* توان محدودی در تمایز به انواع تیپ­‌های سلولی دارند.

 

* کاملاً با بافت­‌های بالغ سازگار هستند، بنابراین در این سلول­‌ها مشکل رد پیوند وجود ندارد.

 

* جدا کردن این سلول­‌ها از یک فرد بالغ، باعث کشته شدن وی نمی­‌شود.

پژوهش‌های سلول‌های بنیادی بسیار جنجالی و بحث برانگیز بوده است. نگرانی‌های اخلاقی زیادی در این مدت مطرح شده‌است. بسیاری از نگرانی‌ها به استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی برمی‌گردد. جنین­‌ها در روش­‌های فعلی در اثر جداسازی سلول‌های بنیادی می­‌میرند و این یکی از مهمترین معضلات اخلاقی استفاده از این سلول­‌ها است. یکی از اصلی ترین سوالات در این زمینه، مربوط به این مساله است که آیا جنینی را که در مراحل اولیه تکوین خود حضور دارد، می‌توان به اندازه یک نوزاد تازه متولد شده “انسان” نامید یا خیر؟ اگر جواب این سوال مثبت باشد مشخصاً کشتن جنین به منظور استخراج سلول‌های بنیادی امری کاملاً غیر انسانی و غیر اخلاقی است.

چه زمانی زندگی یک انسان آغاز می‌شود؟ نظرات متفاوتی در این رابطه وجود دارد. بعضی‌ها زمانی که اسپرم در تخمک لقاح می‌یابد را به عنوان آغاز زندگی انسان در نظر می‌گیرند. بعضی دیگر معتقدند که جنین در مراحل اولیه تکوینی هنوز ویژگی‌های انسانی از خود نشان نداده و توان درک درد را ندارد پس می‌توان آن جنین را صرفاً مجموعه‌ای از سلول‌های بنیادی قلمداد کرد. گروهی دیگر عقیده دارند آغاز حیات انسان زمانیست که قلب شروع به تپیدن کند یا بافت استخوانی شکل بگیرد و یا مغز فعالیتش را شروع کند. هر کدام از این وقایع پس از گذشت چند هفته از آغاز تکوین رخ می‌دهند. نگاهی دیگر می‌گوید حیات از جایی آغاز می‌شود که جنین پس از آن قادر به ادامه حیات خود بیرون از رحم باشد.

برخی دانشمندان اذعان می‌کنند که اگر جنین‌ها صرفاً به هدف استخراج سلول‌های بنیادی خصوصاً به روش لقاح درون آزمایشگاهی (IVF) ایجاد شوند در نتیجه دیگر مشکل اخلاقی وجود ندارد زیرا هدف از لقاح ایجاد یک انسان نبوده است و بدین ترتیب زندگی بالقوه انسانی سلب نمی‌شود. با این وجود مخالفین این عقیده بیان می‌کنند که ایجاد یک حیات انسانی به هر روشی، تنها با هدف استخراج سلول‌های بنیادی امری غیر انسانی و غیر اخلاقی است. در طیIVF باید مدتی زنِ دهنده تخمک، تحت هورمون درمانی که بعضا مخاطراتی هم دارد، قرار بگیرد و علاوه بر آن عمل جداسازی تخم از رحم یک عمل تهاجمی با درجه­‌ای از ریسک است. در صورتی‌که به زنان برای اهدای تخمک پولی پرداخت شود این مسئله می‌تواند چالش‌های جدیدی همچون به کارگیری گروه‌های پرخطر شامل دانشجویان و … را ایجاد کند.

ما نباید مباحث اخلاقی پیرامون استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی را نادیده بگیریم. هرچند که این سلول‌ها پتانسیل بی‌نظیری در درمان بیماری‌ها و ناتوانایی‌هایی که امروزه بشر با آن‌ها دست به گریبان است، دارند.

 

 

[1] caenorhabditis elegans                                                                                                       

[2] Richard Axel

[3] Linda Buck

[4] leukemia

 

[1] scale bars

[1] focus

 

[1] Stargardt

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید