Tie, kurie nėra susipažinę su biologija, genetika, domisi, kaip kūno ląstelės „supranta“, kad vieni turi tapti plaukais, kiti - kaulais, kiti - smegenimis ir pan.? Organai formuojami paeiliui, kai kurie formuojasi visą gyvenimą, kažkaip turi būti duotos komandos „pradėti formuoti“ir „baigti formuoti“. Ir jei šios komandos nebus suformuotos iš vieno centro, kils chaosas.
Kur tada tas centras?
- „Salik.biz“
Šis klausimas visai nėra vaikiškas. Tiesą sakant, tai ne vienas, o keli klausimai ir jie paliečia visas svarbiausias problemas, kurių sprendimą sprendžia didelis, labai sudėtingas ir greitai besivystantis mokslas - raidos biologija. Į šiuos klausimus yra neįmanoma atsakyti gerai ir išsamiai keliais žodžiais. Atsakymai į juos pateikiami didelėse ir storose knygose bei tūkstančiuose mokslinių straipsnių. Didžioji dalis šio mokslo vis dar neaiški, o naujų atradimų daroma beveik kiekvieną dieną.
Bet kai kuriuos bendruosius principus galima bandyti paaiškinti.
Pradėkime nuo „vieno centro“, be kurio neatsiras „chaosas“. Keista, bet taip nėra. Daugelis dalijamųjų elementų gali elgtis gana protingai ir sudaryti sudėtingas struktūras, net jei jie neturi vieno valdymo centro. Tokie procesai vadinami „savęs organizavimu“. Deja, žmogaus protas yra taip struktūruotas, kad jam yra be galo sunku suprasti tokius procesus. Kai susiduriame su savireguliacijos pavyzdžiais, mums visada atrodo, kad yra koks nors nepaaiškinamas stebuklas. Pavyzdžiui, kaip iš atsitiktinai judančių vandens garų molekulių susidaro gražūs ledo modeliai ant stiklo ar snaigių? Kur saugoma „snaigių programa“ar jos „projektas“? Niekur nėra piešimo, tačiau programa egzistuoja, tai yra fizikinės vandens molekulės savybės, nuo kurių priklauso ledo kristalų susidarymas.
Bet atgal į ląstelių gumulą - mažytį embrioną, kuris susidarė iš kiaušinio per pirmuosius kelis pasidalijimus. Kiekviena embriono ląstelė turi tą patį genomą (genų rinkinį). Genomas lemia visas ląstelės savybes, tai yra jo „elgesio programa“. Visų embriono ląstelių programa yra ta pati. Tačiau ląstelės netrukus pradeda elgtis skirtingai: vieni virsta odos ląstelėmis, kiti - žarnyno ląstelėmis ir pan. Taip yra dėl to, kad ląstelės keičiasi informacija - jos siunčia viena kitai cheminius signalus ir keičia savo elgesį priklausomai nuo to, kokius signalus jie gavo iš kaimynų. Signalai taip pat gali būti fiziniai: ląstelės gali „jausti“savo kaimynus ten, kur jie traukia ar stumia. Be to, kai kurie signalai ateina iš išorinio pasaulio. Pavyzdžiui,augalų embrioninės ląstelės jaučia gravitaciją ir į tai atsižvelgia spręsdamos, kaip elgtis. Pavyzdžiui, tos ląstelės, kurios turi kaimynus tik iš viršaus, pradeda virsti šaknimi, o tos, kurių kaimynai tik iš apačios, - virsta kamiene. Galiausiai kiaušialąstė nuo pat pradžių gali turėti paprastą „žymėjimą“: vienas iš jo polių gali skirtis nuo kitų kai kurių medžiagų koncentracija.
Visų langelių elgesio programa iš pradžių yra ta pati, tačiau ji gali būti gana sudėtinga ir susideda iš kelių atskirų taisyklių rinkinių. Kurį iš taisyklių rinkinių vykdys tam tikra ląstelė, priklauso nuo ląstelės gaunamų signalų. Kiekviena atskira „taisyklė“atrodo maždaug taip: „jei tenkinamos tokios ir tokios sąlygos, daryk tokį ir tokį veiksmą“. Pagrindinis veiksmas, kurį atlieka ląstelės, yra tam tikrų genų įjungimas arba išjungimas. Įjungus ar išjungus geną, pasikeičia ląstelės savybės ir ji pradeda elgtis skirtingai, skirtingai reaguoti į signalus.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kaip yra, kad ląstelės, turinčios tą pačią elgesio programą ir, atrodo, tomis pačiomis sąlygomis, vis dar elgiasi skirtingai? Faktas yra tas, kad embriono ląstelės iš tikrųjų yra skirtingose sąlygose - tai vyksta tik savaime ląstelių dalijimosi procese. Kažkas pasirodė viduje, kažkas išorėje, kažkas apačioje, kažkas viršuje, kažkur medžiagos A koncentracija yra didelė (nes ši ląstelė susidarė iš tos kiaušinio dalies, kur šios medžiagos buvo gausu) - kad medžiaga A yra maža.
Ląstelės taip pat gali turėti „dalijimosi skaitiklį“, kuris jiems pasakytų, kiek kartų kiaušinis jau buvo padalytas. Šis skaitiklis taip pat yra cheminis: iš pradžių kiaušinyje buvo tam tikrų medžiagų, kurių pasiūla embriono vystymosi metu nepasipildo, o kiek šių medžiagų liko ląstelėje, galima suprasti, kiek pasidalijimų praėjo nuo vystymosi pradžios.
Ląstelių elgsenos programoje gali būti, pavyzdžiui, šios komandos:
„Jei esate lauke, ir jei A medžiagos koncentracija jumyse yra tokia ir tokia (yra tokiose ir tokiose ribose), ir jei B medžiagos koncentracija aplink jus yra lygi nuliui, ir jei nuo plėtros pradžios praėjo 10 padalinių, tada pradėkite išskirti medžiagą B. “
Ką lems tokios komandos vykdymas? Tai lems, kad tam tikru momentu (po dešimties padalijimų) embriono paviršiuje, kuris išskiria medžiagą B., atsiranda viena ląstelė. Ji bus išdėstyta griežtai apibrėžtu atstumu nuo vieno embriono poliaus, nes mūsų pavyzdyje medžiaga A tarnavo pradiniam. oocitų žymėjimas. Vadinasi, pagal A medžiagos koncentraciją ląstelė gali nustatyti, kokiu atstumu nuo embriono polių ji yra. Kodėl yra tik viena tokia ląstelė, išskirianti medžiagą B? Bet todėl, kad buvo instrukcija: „Jei B medžiagos koncentracija aplink jus yra lygi nuliui“. Kai tik pirmoji ląstelė, kurioje įvykdytos nustatytos sąlygos, pradeda išskirti medžiagą B, šios medžiagos koncentracija nustos būti lygi nuliui, todėl kitos ląstelės nepradės jos išleisti.
O kas nutiks, jei iš programos pašalinsime nurodymą „Jei B medžiagos koncentracija aplink jus yra lygi nuliui“? Tuomet medžiaga B pradės sekretuoti ne viena ląstelė, o visa ląstelių juosta, embrioną juosianti tam tikru atstumu nuo polių. Diržo plotis ir jo padėtis (arčiau ar toliau nuo poliaus, kuriame A koncentracija yra didžiausia) priklausys nuo to, kokios A medžiagos koncentracijos yra nurodytos instrukcijoje "Jei A medžiagos koncentracija tavyje yra tokia ir tokia".
Dabar mūsų embrionas yra žymiai sudėtingesnis ir įdomesnis nei anksčiau. Jis turi „priekinę dalį“, kurioje yra daug A, o B koncentracija padidėja iš priekio į užpakalį; jame yra centrinis diržas, kuriame B koncentracija yra didžiausia; ir jis turi nugarą, kur mažai A ir kur B koncentracija mažėja iš priekio į nugarą. Mūsų embrionas buvo padalintas į smarkiai atskirtas dalis, kuriose ląstelės yra skirtingomis sąlygomis, todėl jos atliks skirtingas savo pradinės bendrosios programos paprogrames.
Mes suskirstėme embrioną į priekinę, vidurinę ir užpakalines dalis. Jie gali tapti, pavyzdžiui, galva, liemens ir uodegos. Bet aš taip pat norėčiau suprasti, kur bus jo nugara ir kur yra jo skrandis. Kaip tai padaryti? Tai labai paprasta, mes jau tai išgyvenome. Reikalinga instrukcija, kurios dėka bet kurioje embriono „pusėje“, kažkur viduryje tarp galvos ir uodegos, atsiranda tik viena ląstelė arba nedidelė ląstelių grupė, išskirianti tam tikrą medžiagą (pavyzdžiui, B). Ir leiskite šiai B medžiagai pradėti gražaus žalio nugaros kraigo augimo programą ten, kur jo yra daug, ir švelnaus rožinio pilvo formavimo programą ten, kur jo nedaug.
Kai embrionas jau yra toks geras ir išsamiai „pažymėtas“, kiekviena ląstelių grupė gali lengvai nustatyti, kur jis yra, ir suaktyvinti šiam atvejui parengtą paprogramę (elgesio taisyklių rinkinį).
Embriono vystymosi metu tiesa, kad čia ir ten atsiranda specialūs „valdymo centrai“- ląstelių grupės, kurios išskiria vieną ar kitą medžiagą, kuri tarnauja kaip signalas kitoms ląstelėms ir veikia jų elgesį. Tačiau tuo pat metu visos ląstelės vis dar elgiasi griežtai laikydamosi originalios genetinės programos, kuri yra vienoda visoms. Kontrolės centrai atsiranda patys, organizuodamiesi patys, niekas jų tyčia neįdeda. Ir tam nereikia jokios „vieningos centralizuotos vadovybės“, jau nekalbant apie prasmingą, pagrįstą.
Plėtojant tikrus gyvūnus, viskas yra sudėtingiau nei mūsų įsivaizduojamame pavyzdyje, tačiau, kaip bebūtų keista, ne per daug. Pavyzdžiui, daugumoje gyvūnų embriono „išilginiam žymėjimui“naudojama apie keliolika signalinių medžiagų (mūsų pavyzdyje mums pavyko padaryti dvi - A ir B). Už šių medžiagų gamybą atsakingos specialios genų grupės, vadinamieji „Hawks“genai. O norint atskirti embrioną į audinius (nervinius, raumeninius, epitelinius ir kt.), Naudojamos dar trys dešimtys signalinių medžiagų - jos vadinamos mikroRNR. Bet tai tik svarbiausi vystymosi reguliatoriai ir dar yra daug pagalbinių, o mokslininkai dar neišsiaiškino visų jų savybių ir funkcijų.
Signalinės medžiagos, kurios valdo embriono ląstelių elgseną, yra labai stiprios. Pvz., Jei nukirtote buožgalvio uodegą ir nukritote vieną iš šių medžiagų ant žaizdos, tada vietoj naujos uodegos buožgalvis užaugs krūva mažų kojų. Tokie žiaurūs eksperimentai buvo atlikti XX amžiaus pradžioje. Tada genetikai pradėjo verslą, kuris išmoko pakeisti genų darbą atskirose embriono dalyse. Įskaitant tuos genus, kurie gamina medžiagas, - vystymosi reguliatoriai. Vienas įdomiausių genetikų atradimų yra tas, kad vystymąsi kontroliuojantys genai yra labai panašūs į visus gyvūnus. Jie netgi gali būti persodinti iš vieno gyvūno į kitą ir jie veiks. Pvz., Jei paimsite pelės geną, kuris įjungia pelės akies paprogramę ir priverčia ją veikti musės kojos pumpurą,tada ant musės kojos pradeda formuotis akis. Tiesa, ne pelės akis, o musė.
Taigi, mes supratome, kad genome nėra suaugusio organizmo projekto, o tik atskiros ląstelės elgesio programą. Suaugęs organizmas „pats susitvarko“vien dėl to, kad kiekviena ląstelė griežtai laikosi tos pačios elgesio programos. Matematikai sako, kad užregistruoti suaugusio gyvūno genomo planą būtų daug sunkiau nei tokią programą. Kaip bebūtų keista, ši programa yra daug paprastesnė nei susidaręs organizmas. Taip pat, jei mūsų vystymasis vyktų ne per organizacinę veiklą pagal programą, o pagal projektą, mums būtų daug sunkiau vystytis.
Prieš šimtą metų, kai mokslininkai dar nežinojo embrionų vystymosi dėsnių, evoliucija daug kas jiems atrodė nesuprantama. Pavyzdžiui, kai kurie mokslininkai domėjosi, kaip evoliucijos procese visos keturios kojos gali pailgėti tuo pačiu metu - galų gale, tam, jų manymu, reikėjo, kad mutacijos tuo pačiu metu pakeistų visų keturių kojų ilgį vienu metu! Iš tiesų, jei genome būtų užfiksuotas suaugusio žmogaus organizmo piešinys, tada, norint padidinti keturių kojų ilgį, reikėtų padaryti keturis šio piešinio pataisymus. Dabar mes žinome, kad plėtra vyksta pagal programą, kurioje pakanka padaryti tik vieną pakeitimą, kad pasikeistų visų keturių galūnių ilgis, ir pasikeisti tuo pačiu būdu.
Aleksandras Markovas