Tiste, ki biologije, genetike ne poznajo, zanima, kako telesne celice "razumejo", da bi nekatere morale postati lasje, druge kosti, druge - možgani itd.? Organi nastajajo zaporedno, nekateri se še naprej oblikujejo skozi celo življenje, nekako morata biti dana ukaza "začnite tvorbo" in "popolna formacija". In če te ekipe ne bodo oblikovane iz enega samega centra, bo nastal kaos.
Kje je potem ta center?
To vprašanje sploh ni otročje. To pravzaprav ni eno, ampak več vprašanj, ki se dotikajo vseh najpomembnejših problemov, katerih rešitev rešuje velika, zelo zapletena in hitro razvijajoča se znanost - razvojna biologija. Na ta vprašanja je preprosto nemogoče dobro in podrobno odgovoriti z nekaj besedami. Odgovori nanje so v velikih in debelih knjigah in na tisočih znanstvenih člankov. Veliko je v tej znanosti še vedno nejasno, skoraj vsakodnevno pa se odpirajo nova odkritja.
Toda nekaj splošnih načel je mogoče poskusiti razložiti.
Začnimo z "enotnim središčem", brez katerega bo nastal "kaos". Presenetljivo ni tako. Mnoge delitvene celice se lahko obnašajo precej inteligentno in tvorijo zapletene strukture, tudi če nimajo enega samega kontrolnega centra. Takšni procesi se imenujejo "samoorganizacija". Žal je človeški um tako strukturiran, da mu je strašno težko razumeti takšne procese. Ko naletimo na primere samoorganizacije, se nam vedno zdi kakšen nerazložljiv čudež. Kako se na primer oblikujejo lepi vzorci ledu na steklu ali snežinkah iz naključno premikajočih se molekul vodne pare? Kje je shranjen "program snežinke" ali njegov "načrt"? Risbe ni nikjer, toda program obstaja, to so fizikalne lastnosti molekule vode, od katere je odvisna tvorba ledenih kristalov.
Toda nazaj k gruči celic - drobnemu zarodku, ki je nastal iz jajčeca zaradi prvih nekaj delitev. Vsaka celica v zarodku ima enak genom (nabor genov). Genom določa vse lastnosti celice, to je njen "program vedenja". Program za vse celice zarodka je enak. Vendar se celice kmalu začnejo obnašati na različne načine: nekatere se spremenijo v kožne celice, druge v črevesne celice ipd. To je posledica dejstva, da celice izmenjujejo informacije - drug drugemu pošiljajo kemične signale in spreminjajo svoje vedenje glede na to, kakšne signale so prejele od svojih sosedov. Signali so lahko tudi fizični: celice lahko "čutijo" svoje sosede, kjer se vlečejo ali potiskajo. Poleg tega nekateri signali prihajajo iz zunanjega sveta. Na primerembrionalne celice v rastlinah občutijo težo in jo upoštevajo pri odločanju, kako se obnašati. Na primer, tiste celice, ki imajo sosede samo od zgoraj, se začnejo spreminjati v korenino, tiste s sosedi pa samo od spodaj - v steblo. Končno ima jajčna celica že od samega začetka preprosto "označevanje": eden od njenih polov se lahko razlikuje od drugega v koncentraciji nekaterih snovi.
Program vedenja za vse celice je na začetku enak, lahko pa je precej zapleten in je sestavljen iz več ločenih nizov pravil. Kateri od nizov pravil bo določena celica izvedla, je odvisno od signalov, ki jih prejme celica. Vsako ločeno "pravilo" je videti nekako takole: "če so takšni in takšni pogoji izpolnjeni, storite takšno in takšno dejanje." Glavna dejanja celic so vklopiti ali izklopiti določene gene. Vklop ali izklop gena spremeni lastnosti celice in začne se obnašati drugače, drugače reagirati na signale.
Promocijski video:
Kako to, da se celice, ki imajo enak program vedenja in so na videz v istih pogojih, še vedno obnašajo drugače? Dejstvo je, da so celice zarodka dejansko v različnih pogojih - to se zgodi samo od sebe v procesu delitve celic. Nekdo se je izkazal v notranjosti, nekdo zunaj, nekdo spodaj, nekdo zgoraj, v nekomu je koncentracija snovi A visoka (ker je ta celica nastala iz tistega dela jajčne celice, kjer je bilo veliko te snovi) in v koga -je snov A majhna.
Celice imajo lahko tudi "števec delitve", ki jim pove, kolikokrat se je jajce že razdelilo. Ta števec je tudi kemičen: sprva je bilo v jajcu določenih snovi, katerih dobava se med razvojem zarodka ne napolni, in po tem, koliko teh snovi je ostalo v celici, je mogoče razumeti, koliko delitev je minilo od začetka razvoja.
Program vedenja celic lahko vsebuje na primer naslednje ukaze:
"Če ste zunaj, in če je koncentracija snovi A v vas taka in taka (je v takih in takih mejah), in če je koncentracija snovi B okoli vas enaka nič, in če je od začetka razvoja minilo 10 oddelkov, nato začnite izločati snov B."
Do česa bo privedla izvedba takega ukaza? Pripeljalo bo do dejstva, da se v nekem trenutku (po desetih delitvah) na površini zarodka pojavi ena sama celica, ki izloča snov B. Nahaja se na strogo določeni razdalji od enega od polov zarodka, ker je v našem primeru snov A služila za začetno oznaka oocitov. Posledično lahko celica s koncentracijo snovi A določi, na kakšni razdalji je od polov zarodka. Zakaj obstaja samo ena taka celica, ki izloča snov B? A ker je obstajalo navodilo: "Če je koncentracija snovi B okoli vas enaka nič." Takoj, ko prva celica, v kateri so izpolnjeni navedeni pogoji, začne sproščati snov B, bo koncentracija te snovi prenehala biti nič, zato jo druge celice ne bodo začele sproščati.
In kaj se zgodi, če iz programa odstranimo navodilo "Če je koncentracija snovi B okoli vas enaka nič"? Potem bo snov B začela izločati ne ena celica, temveč cel trak celic, ki obkroži zarodek na določeni razdalji od polov. Širina pasu in njegov položaj (bližje ali dlje od pola, kjer je koncentracija A največja) bosta odvisna od tega, katere koncentracije snovi A so navedene v navodilu "Če je koncentracija snovi A v vas taka in taka."
Zdaj je naš zarodek označen veliko bolj zapleteno in zanimivo kot prej. Ima "sprednji del", v katerem je veliko A, koncentracija B pa se poveča od spredaj do zadaj; ima osrednji pas, kjer je koncentracija B največja; in ima hrbet, kjer je malo A in kjer koncentracija B pada od spredaj nazaj. Naš zarodek se je razdelil na močno razmejene dele, v katerih so celice v različnih pogojih in bodo zato izvajale različne podprograme svojega prvotnega splošnega programa.
Zarodek smo razdelili na sprednji, srednji in zadnji del. Lahko postanejo na primer glava, trup in rep. Rad pa bi tudi razumel, kje bo njegov hrbet in kje želodec. Kako narediti? Zelo preprosto je, to smo že prešli. Potrebno je navodilo, ki privede do pojava samo ene celice ali majhne skupine celic, ki izločajo neko snov (na primer B) na kateri koli "strani" zarodka, nekje na sredini med glavo in repom. In naj ta snov B začne s programom za rast lepega zelenega hrbtnega grebena, kjer ga je veliko, in program za oblikovanje mehkega rožnatega trebuha, kjer ga je malo.
Ko je zarodek že tako dobro in podrobno "označen", lahko vsaka skupina celic zlahka ugotovi, kje je, in aktivira podprogram, pripravljen za ta primer (nabor pravil vedenja).
Med razvojem zarodka je res, da se tu in tam pojavijo posebni "kontrolni centri" - skupine celic, ki sproščajo eno ali drugo snov, ki služi kot signal za druge celice in vpliva na njihovo vedenje. Toda hkrati se vse celice še vedno obnašajo v strogi skladnosti s prvotnim genetskim programom, kar je enako za vse. Nadzorni centri nastajajo sami, s pomočjo samoorganizacije, nihče jih namerno ne vstavlja. In za to ni potrebno "enotno centralizirano vodstvo", kaj šele smiselno, razumno.
Pri razvoju pravih živali je vse bolj zapleteno kot v našem namišljenem primeru, vendar nenavadno niti malo. Na primer, pri večini živali se za "vzdolžno označevanje" zarodka uporablja približno ducat signalnih snovi (v našem primeru nam je uspelo narediti dve - A in B). Za proizvodnjo teh snovi so odgovorne posebne skupine genov, tako imenovani Hawks-geni. In za ločitev zarodka v tkiva (živčne, mišične, epitelijske itd.) Se uporabljajo še trije ducat drugih signalnih snovi - imenujemo jih mikroRNA. Toda to so le najpomembnejši regulatorji razvoja in še vedno je veliko pomožnih in znanstveniki še niso ugotovili vseh njihovih lastnosti in funkcij.
Signalne snovi, ki upravljajo vedenje celic zarodka, so zelo močne. Če na primer odrežete rep tadpola in spustite eno od teh snovi na rano, potem bo namesto novega repa zrasla kup majhnih nog. Takšni kruti poskusi so bili izvedeni v začetku 20. stoletja. Nato so se lotili genetike, ki so se naučili spreminjati delo genov v posameznih delih zarodka. Vključno s tistimi geni, ki proizvajajo snovi - regulatorji razvoja. Eno najzanimivejših odkritij genetikov je, da so geni, ki nadzorujejo razvoj, pri vseh živalih zelo podobni. Lahko jih celo presadijo z ene živali na drugo in bodo delale. Na primer, če vzamete mišji gen, ki vklopi podprogram miškega očesa in ga naredi, da deluje v muhi.takrat se na nogi muhe začne oblikovati oko. Res ni mišje oko, ampak muha.
Tako smo ugotovili, da v genomu ni "osnutka" odraslega organizma, ampak le program za vedenje posamezne celice. Organizem za odrasle se "samoorganizira" preprosto zaradi dejstva, da vsaka celica strogo sledi istemu programu vedenja. Matematiki pravijo, da bi bilo veliko težje kodirati načrt odrasle živali v genomu kot takšen program. Ta program je, nenavadno, sam po sebi veliko enostavnejši od nastalega organizma. In tudi, če bi se naš razvoj nadaljeval ne s samoorganizacijo na podlagi programa, ampak po načrtu, bi se razvijali veliko težje.
Pred stotimi leti, ko znanstveniki še niso poznali zakonov razvoja zarodkov, se jim je veliko v evoluciji zdelo nerazumljivo. Nekateri znanstveniki so se na primer spraševali, kako bi se lahko v procesu evolucije vse štiri noge hkrati podaljšale - navsezadnje so za to, so prepričali, nujno, da mutacije hkrati spremenijo dolžino vseh štirih nog hkrati! Če bi v genom zabeležili risbo odraslega organizma, bi bilo treba na tej risbi narediti štiri popravke, da bi povečali dolžino štirih nog. Zdaj vemo, da razvoj poteka v skladu s programom, v katerem je dovolj samo ena sprememba, da se dolžina vseh štirih okončin spremeni, in se spremeni na enak način.
Aleksander Markov