Ci, którzy nie są obeznani z biologią, genetyką, interesują się tym, jak komórki ciała „rozumieją”, że jedne powinny stać się włosami, inne kośćmi, jeszcze inne mózgami itd.? Narządy powstają sekwencyjnie, niektóre formują się dalej przez całe życie, w jakiś sposób należy wydać polecenie „rozpocznij formację” i „pełną formację”. A jeśli te zespoły nie zostaną utworzone z jednego centrum, powstanie chaos.
Gdzie zatem jest to centrum?
To pytanie wcale nie jest dziecinne. W rzeczywistości nie jest to jedno, a kilka pytań, które dotykają wszystkich najważniejszych problemów, których rozwiązaniem zajmuje się duża, bardzo złożona i szybko rozwijająca się nauka - biologia rozwoju. Po prostu nie da się dobrze i szczegółowo odpowiedzieć na te pytania w kilku słowach. Odpowiedzi na nie zawarte są w dużych i grubych książkach i tysiącach artykułów naukowych. Wiele w tej nauce jest nadal niejasnych, a nowe odkrycia są dokonywane prawie codziennie.
Można jednak spróbować wyjaśnić kilka ogólnych zasad.
Zacznijmy od „pojedynczego centrum”, bez którego powstanie „chaos”. O dziwo, tak nie jest. Wiele dzielących się komórek może zachowywać się całkiem inteligentnie i tworzyć złożone struktury, nawet jeśli nie mają one jednego centrum kontroli. Takie procesy nazywane są „samoorganizacją”. Niestety, umysł ludzki jest tak skonstruowany, że bardzo trudno jest mu zrozumieć takie procesy. Kiedy natrafiamy na przykłady samoorganizacji, zawsze wydaje nam się to jakimś niewytłumaczalnym cudem. Na przykład, w jaki sposób z losowo poruszających się cząsteczek pary wodnej powstają piękne wzory lodu na szkle lub płatkach śniegu? Gdzie jest przechowywany „program płatka śniegu” lub jego „plan”? Nigdzie nie ma rysunku, ale istnieje program, są to fizyczne właściwości cząsteczki wody, od których zależy formowanie się kryształków lodu.
Ale wracając do skupiska komórek - maleńkiego zarodka, który powstał z jaja w wyniku kilku pierwszych podziałów. Każda komórka w zarodku ma ten sam genom (zestaw genów). Genom determinuje wszystkie właściwości komórki, to jest jej „program zachowania”. Program dla wszystkich komórek zarodka jest taki sam. Jednak komórki szybko zaczynają zachowywać się na różne sposoby: niektóre zamieniają się w komórki skóry, inne w komórki jelit i tak dalej. Wynika to z faktu, że komórki wymieniają informacje - wysyłają sobie sygnały chemiczne i zmieniają swoje zachowanie w zależności od tego, jakie sygnały otrzymały od sąsiadów. Sygnały mogą być również fizyczne: komórki mogą „wyczuć” swoich sąsiadów, gdy ciągną lub pchają. Ponadto niektóre sygnały pochodzą ze świata zewnętrznego. Na przykład,Komórki embrionalne roślin wyczuwają grawitację i uwzględniają ją przy podejmowaniu decyzji o tym, jak się zachować. Na przykład te komórki, które mają sąsiadów tylko od góry, zaczynają zamieniać się w korzeń, a te z sąsiadami tylko od dołu - w łodygę. Wreszcie komórka jajowa może mieć od samego początku proste „oznaczenie”: jeden z jego biegunów może różnić się od drugiego stężeniem niektórych substancji.
Program zachowań dla wszystkich komórek jest początkowo taki sam, ale może być dość złożony i składać się z kilku oddzielnych zestawów reguł. To, który z zestawów reguł będzie wykonywała dana komórka, zależy od sygnałów odebranych przez komórkę. Każda oddzielna „reguła” wygląda mniej więcej tak: „jeśli takie a takie warunki są spełnione, zrób taką a taką akcję”. Główną czynnością wykonywaną przez komórki jest włączanie i wyłączanie określonych genów. Włączenie lub wyłączenie genu zmienia właściwości komórki i zaczyna ona zachowywać się inaczej, inaczej reagować na sygnały.
Film promocyjny:
Jak to się dzieje, że komórki, które mają ten sam program zachowania i są pozornie w tych samych warunkach, nadal zachowują się inaczej? Faktem jest, że komórki embrionu są w rzeczywistości w różnych warunkach - dzieje się to po prostu samo z siebie w procesie podziału komórek. Ktoś okazał się w środku, ktoś na zewnątrz, ktoś na dole, ktoś na górze, w kimś stężenie substancji A jest wysokie (bo ta komórka powstała z tej części komórki jajowej, w której było dużo tej substancji) i u kogo -że substancja A jest mała.
Komórki mogą mieć także „licznik podziału”, który mówi im, ile razy jajko zostało już podzielone. Ten licznik jest również chemiczny: początkowo w jaju znajdowały się pewne substancje, których zapas nie jest uzupełniany podczas rozwoju zarodka, a po tym, ile z tych substancji pozostało w komórce, można zrozumieć, ile podziałów minęło od początku rozwoju.
Program do zachowywania komórek może zawierać na przykład następujące polecenia:
„Jeśli jesteś na zewnątrz, a jeśli stężenie substancji A w tobie jest takie a takie (mieści się w takich a takich granicach), a jeśli stężenie substancji B wokół ciebie wynosi zero, i jeśli od początku rozwoju minęło 10 podziałów, następnie zacznij wydalać substancję B.”
Do czego doprowadzi wykonanie takiego polecenia? Doprowadzi to do tego, że w pewnym momencie (po dziesięciu podziałach) na powierzchni zarodka pojawi się pojedyncza komórka wydzielająca substancję B. Będzie zlokalizowana w ściśle określonej odległości od jednego z biegunów embrionu, bo w naszym przykładzie substancja A służyła do znakowanie oocytów. W konsekwencji, poprzez stężenie substancji A, komórka może określić, w jakiej odległości od biegunów embrionu się znajduje. Dlaczego jest tylko jedna taka komórka, która wydziela substancję B? Ale ponieważ była instrukcja: „Jeśli stężenie substancji B wokół ciebie wynosi zero”. Gdy tylko pierwsza komórka, w której zostaną spełnione określone warunki, zacznie uwalniać substancję B, stężenie tej substancji przestanie wynosić zero, a zatem inne komórki nie zaczną jej uwalniać.
A co się stanie, jeśli usuniemy z programu instrukcję „Jeśli stężenie substancji B wokół Ciebie wynosi zero”? Wówczas substancja B zacznie być wydzielana nie przez pojedynczą komórkę, ale przez cały pasek komórek otaczających zarodek w pewnej odległości od biegunów. Szerokość pasa i jego położenie (bliżej lub dalej od słupa, w którym stężenie A jest maksymalne) będzie zależało od tego, jakie stężenia substancji A są wskazane w instrukcji „Czy stężenie substancji A w tobie jest takie a takie”.
Teraz nasz embrion jest znacznie bardziej skomplikowany i interesujący niż wcześniej. Ma „przednią część”, w której jest dużo A, a stężenie B rośnie od przodu do tyłu; posiada centralny pas, w którym stężenie B jest maksymalne; i ma tył, na którym jest mało A i gdzie stężenie B spada od przodu do tyłu. Nasz embrion podzielił się na ostro odgraniczone części, w których komórki znajdują się w różnych warunkach i dlatego będą wykonywać różne podprogramy swojego pierwotnego ogólnego programu.
Zarodek podzieliliśmy na odcinek przedni, środkowy i tylny. Mogą stać się na przykład głową, tułowiem i ogonem. Ale chciałbym też wiedzieć, gdzie będzie jego plecy i brzuch. Jak to zrobić? To bardzo proste, już przez to przeszliśmy. Potrzebna jest instrukcja, która prowadzi do pojawienia się tylko jednej komórki lub niewielkiej grupy komórek wydzielających jakąś substancję (na przykład B) po dowolnej „stronie” zarodka, gdzieś pośrodku, między głową a ogonem. I niech ta substancja B uruchomi program wzrostu pięknej zielonej pręgi grzbietowej tam, gdzie jest jej dużo, oraz program uformowania miękkiego różowego brzucha tam, gdzie jest go mało.
Gdy zarodek jest już tak dobrze i szczegółowo „zaznaczony”, każda grupa komórek może łatwo określić, gdzie się znajduje i aktywować przygotowany podprogram (zbiór reguł zachowania).
Prawdą jest, że w trakcie rozwoju zarodka pojawiają się tu i ówdzie specjalne „centra kontroli” - grupy komórek, które uwalniają jedną lub drugą substancję, która jest sygnałem dla innych komórek i wpływa na ich zachowanie. Ale jednocześnie wszystkie komórki nadal zachowują się ściśle według oryginalnego programu genetycznego, który jest taki sam dla wszystkich. Centra kontroli powstają same, dzięki samoorganizacji, nikt ich tam nie umieszcza celowo. I nie jest do tego wymagane żadne „ujednolicone, scentralizowane przywództwo”, nie mówiąc już o znaczącym, rozsądnym.
W rozwoju prawdziwych zwierząt wszystko jest bardziej skomplikowane niż w naszym wyimaginowanym przykładzie, ale, co dziwne, niewiele. Na przykład u większości zwierząt do „podłużnego znakowania” zarodka używa się kilkunastu substancji sygnalizacyjnych (w naszym przykładzie udało się zrobić dwie - A i B). Za produkcję tych substancji odpowiedzialna jest specjalna grupa genów, tzw. Geny Hawks. Aby oddzielić zarodek na tkanki (nerwowe, mięśniowe, nabłonkowe itp.), Stosuje się kolejne trzy tuziny innych substancji sygnalizacyjnych - nazywane są mikroRNA. Ale to tylko najważniejsze regulatory rozwoju i wciąż jest wiele pomocniczych, a naukowcy nie odkryli jeszcze wszystkich ich właściwości i funkcji.
Substancje sygnalizacyjne, które regulują zachowanie komórek zarodka, są bardzo silne. Na przykład, jeśli odetniesz ogon kijanki i upuścisz jedną z tych substancji na ranę, to zamiast nowego ogona kijanka wyrosnie na kilka małych nóżek. Takie okrutne eksperymenty przeprowadzono na początku XX wieku. Potem zabrali się genetycy, którzy nauczyli się zmieniać działanie genów w poszczególnych częściach zarodka. W tym te geny, które wytwarzają substancje - regulatory rozwoju. Jednym z najciekawszych odkryć genetyków jest to, że geny kontrolujące rozwój są bardzo podobne u wszystkich zwierząt. Można je nawet przeszczepić z jednego zwierzęcia na drugie i będą działać. Na przykład, jeśli weźmiesz gen myszy, który włącza podprogram oka myszy i sprawi, że zadziała w zawiązku nogi muchy,potem na nodze muchy zaczyna się tworzyć oko. To prawda, nie oka myszy, ale oka muchy.
Zrozumieliśmy więc, że w genomie nie ma „planu” dorosłego organizmu, a jedynie program zachowania się pojedynczej komórki. Dorosły organizm „samoorganizuje się” po prostu dlatego, że każda komórka ściśle przestrzega tego samego programu zachowania. Matematycy twierdzą, że kodowanie planu dorosłego zwierzęcia w genomie byłoby znacznie trudniejsze niż taki program. Ten program, co dziwne, sam w sobie jest znacznie prostszy niż powstały organizm. A także, gdyby nasz rozwój nie przebiegał przez samoorganizację w oparciu o program, ale zgodnie z planem, znacznie trudniej byłoby nam ewoluować.
Sto lat temu, kiedy naukowcy wciąż nie znali praw rozwoju zarodków, wiele z ewolucji wydawało im się niezrozumiałych. Na przykład niektórzy naukowcy zastanawiali się, jak w procesie ewolucji wszystkie cztery nogi mogą się wydłużyć w tym samym czasie - w końcu, rozumowali, konieczne było, aby mutacje jednocześnie zmieniały długość wszystkich czterech nóg naraz! Rzeczywiście, gdyby w genomie zarejestrowano rysunek dorosłego organizmu, należałoby dokonać czterech poprawek na tym rysunku, aby zwiększyć długość czterech nóg. Teraz wiemy, że rozwój przebiega według programu, w którym wystarczy dokonać tylko jednej zmiany, aby zmienić długość wszystkich czterech kończyn i zmienić się w ten sam sposób.
Alexander Markov
