De som er lite kjent med biologi, genetikk er interessert i hvordan cellene i kroppen "forstår" at noen skal bli hår, andre bein, andre hjerner, etc.? Organer dannes sekvensielt, noen fortsetter å dannes gjennom hele livet, på en eller annen måte må kommandoen "startformasjon" og "fullstendig formasjon" gis. Og hvis disse lagene ikke er dannet fra et enkelt senter, vil det oppstå kaos.
Hvor er dette senteret da?
Dette spørsmålet er ikke barnslig i det hele tatt. Dette er faktisk ikke ett, men flere spørsmål, og de berører alle de viktigste problemene, hvis løsning blir behandlet av en stor, veldig kompleks og raskt utviklende vitenskap - utviklingsbiologi. Det er rett og slett umulig å svare på disse spørsmålene godt og detaljert med noen få ord. Svarene på dem finnes i store og tykke bøker og tusenvis av vitenskapelige artikler. Mye i denne vitenskapen er fremdeles uklar, og nye funn blir gjort nesten hver dag.
Men noen generelle prinsipper kan man prøve å forklare.
La oss begynne med "singelsenteret", uten noe "kaos" vil oppstå. Overraskende er dette ikke tilfelle. Mange delende celler kan oppføre seg ganske intelligent og danne komplekse strukturer, selv om de ikke har et eneste kontrollsenter. Slike prosesser kalles "selvorganisering". Dessverre er menneskesinnet så strukturert at det er veldig vanskelig for ham å forstå slike prosesser. Når vi møter eksempler på egenorganisasjon, virker det alltid for oss et slags uforklarlig mirakel. Hvordan kan for eksempel vakre ismønstre på glass eller snøflak dannes fra tilfeldig bevegelige vanndampmolekyler? Hvor er "snøfnuggprogrammet" eller dets "blåkopi" lagret? Det er ingen tegning noe sted, men programmet eksisterer, dette er de fysiske egenskapene til vannmolekylet, som dannelsen av iskrystaller er avhengig av.
Men tilbake til klumpen av celler - det lille embryoet som dannet seg fra egget som et resultat av de første divisjonene. Hver celle i embryoet har samme genom (sett med gener). Genomet bestemmer alle egenskapene til en celle, dette er dens "oppføringsprogram". Programmet for alle cellene i embryoet er det samme. Imidlertid begynner celler snart å oppføre seg på forskjellige måter: noen blir til hudceller, andre til tarmsceller, og så videre. Dette skyldes det faktum at celler utveksler informasjon - de sender hverandre kjemiske signaler og endrer oppførsel avhengig av hvilke signaler de fikk fra naboene. Signaler kan også være fysiske: celler kan "føle" sine naboer der de trekker eller skyver. I tillegg kommer noen signaler fra omverdenen. For eksempel,embryonale celler i planter fornemmer tyngdekraften og tar den i betraktning når du bestemmer hvordan du skal oppføre deg. For eksempel begynner de cellene som bare har naboer fra toppen å bli til en rot, og de med naboer bare fra bunnen - til en stilk. Endelig kan egga ha en enkel "markering" helt fra begynnelsen: en av polene kan avvike fra den andre i konsentrasjonen av noen stoffer.
Atferdsprogrammet for alle celler er i utgangspunktet det samme, men det kan være ganske sammensatt og bestå av flere separate sett med regler. Hvilke av regelsettene en gitt celle vil utføre avhenger av signalene mottatt av cellen. Hver separate "regel" ser slik ut: "hvis slike og slike betingelser er oppfylt, gjør en slik og en slik handling." De viktigste handlingene som celler gjør er å slå visse gener på eller av. Å slå av eller på genet endrer cellens egenskaper, og det begynner å oppføre seg annerledes, for å reagere annerledes på signaler.
Salgsfremmende video:
Hvordan er det at celler som har samme oppførselsprogram og tilsynelatende er under de samme forholdene fortsatt oppfører seg annerledes? Fakta er at cellene til embryoet faktisk er under forskjellige forhold - det skjer bare av seg selv i prosessen med celledeling. Noen viste seg å være inne, noen utenfor, noen under, noen på toppen, i noen konsentrasjonen av stoff A er høy (fordi denne cellen ble dannet fra den delen av eggcellen der det var mye av dette stoffet), og i hvem -et stoffet A er lite.
Celler kan også ha en "divisjonsteller" som forteller dem hvor mange ganger egget allerede har delt seg. Denne telleren er også kjemisk: Til å begynne med var det visse stoffer i egget, hvis tilførsel ikke blir etterfylt under utviklingen av embryoet, og av hvor mange av disse stoffene som var igjen i cellen, kan man forstå hvor mange divisjoner som har gått siden begynnelsen av utviklingen.
Celleatferdsprogrammet kan for eksempel inneholde følgende kommandoer:
“Hvis du er utenfor, og hvis konsentrasjonen av stoff A i deg er slik og slik (er innenfor slike og slike grenser), og hvis konsentrasjonen av stoff B rundt deg er null, og hvis 10 divisjoner har gått siden begynnelsen av utviklingen, begynn deretter å skille ut stoff B."
Hva vil utførelsen av en slik kommando føre til? Det vil føre til at det i et bestemt øyeblikk (etter ti divisjoner) dukker opp en enkelt celle på overflaten av embryoet som utskiller substans B. Det vil være lokalisert i en strengt definert avstand fra en av polene til embryoet, fordi i vårt eksempel serverte stoff A til det første oocytmarkering. Ved konsentrasjon av stoff A kan cellen derfor bestemme i hvilken avstand den er fra polene til embryoet. Hvorfor er det bare en slik celle som utskiller stoff B? Men fordi det var en instruksjon: "Hvis konsentrasjonen av stoff B rundt deg er null." Så snart den første cellen der de angitte betingelser er oppfylt begynner å frigjøre stoff B, vil konsentrasjonen av dette stoffet opphøre å være null, og derfor vil andre celler ikke begynne å frigjøre det.
Og hva skjer hvis vi fjerner instruksjonen “Hvis konsentrasjonen av stoff B rundt deg er null” fra programmet? Da vil stoff B begynne å bli frigjort ikke av en enkelt celle, men av en hel stripe celler som omkranser embryoet i en viss avstand fra polene. Båndets bredde og dens plassering (nærmere eller lenger fra polen der konsentrasjonen av A er maksimal) vil avhenge av hvilke konsentrasjoner av stoff A som er angitt i instruksjonen "Hvis konsentrasjonen av stoff A i deg er slik og slik."
Nå er embryoet vårt markert mye mer komplisert og interessant enn før. Han har en "fremre del" der det er mye A, og konsentrasjonen av B øker fra foran til bak; det har et sentralt belte, der konsentrasjonen av B er maksimal; og den har en rygg, hvor det er lite A og hvor konsentrasjonen av B synker fra foran til bak. Vårt embryo har delt seg inn i skarpt avgrensede deler, der cellene er under forskjellige forhold og derfor vil utføre forskjellige underrutiner i sitt opprinnelige generelle program.
Vi har delt inn embryoet i fremre, midtre og bakre seksjoner. De kan for eksempel bli hodet, overkroppen og halen. Men jeg vil også forstå hvor ryggen hans vil være, og hvor magen er. Hvordan gjøre det? Det er veldig enkelt, vi har allerede gått gjennom dette. Det trengs en instruksjon som fører til utseendet til bare en celle eller en liten gruppe celler som skiller ut et stoff (for eksempel B) på hvilken som helst "side" av embryoet, et sted i midten mellom hode og hale. Og la dette stoffet B starte programmet for vekst av en vakker grønn ryggrygg der det er mye av det, og programmet for dannelse av en myk rosa mage der det er mangelvare.
Når embryoet allerede er så bra og i detalj "merket", kan hver gruppe av celler enkelt bestemme hvor det er og aktivere subroutinen forberedt for dette tilfellet (et sett med regler for oppførsel).
Under utviklingen av embryoet er det riktig at her og der vises spesielle "kontrollsentre" - grupper av celler som frigjør et eller et annet stoff, som fungerer som et signal for andre celler og påvirker deres oppførsel. Men samtidig oppfører alle celler seg fortsatt i strengt samsvar med det opprinnelige genetiske programmet, som er det samme for alle. Kontrollsentre oppstår av seg selv, gjennom egenorganisasjon, ingen setter dem bevisst inn der. Og det kreves ingen "enhetlig sentralisert ledelse", enn si meningsfull, rimelig, for dette.
I utviklingen av virkelige dyr er alt mer komplisert enn i vårt tenkelige eksempel, men merkelig nok ikke mye. For de fleste dyr brukes for eksempel omtrent et dusin signalstoffer til "langsgående markering" av embryoet (i vårt eksempel klarte vi å gjøre to - A og B). En spesiell gruppe gener, de såkalte Hawks-genene, er ansvarlig for produksjonen av disse stoffene. Og for å skille embryoet i vev (nervøs, muskel, epitel osv.), Brukes ytterligere tre dusin andre signalstoffer - de kalles mikroRNA. Men dette er bare de viktigste regulatorene for utvikling, og det er fremdeles mange hjelpestoffer, og forskere har ennå ikke funnet ut alle sine egenskaper og funksjoner.
Signalstoffene som styrer oppførselen til cellene til embryoet er veldig kraftige. For eksempel, hvis du klipper av halen til en rumpetroll og slipper et av disse stoffene på såret, så i stedet for en ny hale, vil rumpetrollen vokse en haug med små ben. Slike grusomme eksperimenter ble utført på begynnelsen av 1900-tallet. Da kom genetikere ned til virksomheten, som lærte å endre genarbeidene i enkelte deler av embryoet. Inkludert genene som produserer stoffer - utviklingsregulatorer. Et av de mest interessante funnene til genetikere er at genene som styrer utviklingen er veldig like hos alle dyr. De kan til og med bli transplantert fra et dyr til et annet, og de vil fungere. Hvis du for eksempel tar et musegen som slår på subroutinen til museøye og får det til å fungere i en flueben,så begynner det å danne seg et øye på fluens ben. Riktignok ikke et musekrok, men en fluesnakk.
Så vi innså at det ikke er noen "blåkopi" av en voksen organisme i genomet, men bare et program for atferden til en individuell celle. Den voksne organismen "selvorganiserer" ganske enkelt på grunn av det faktum at hver celle strengt tatt følger det samme oppførselsprogrammet. Matematikere sier at det ville være mye vanskeligere å kode en blåkopi av et voksent dyr i genomet enn et slikt program. Dette programmet er, merkelig nok, i seg selv mye enklere enn den resulterende organismen. Og også, hvis vår utvikling ikke foregikk gjennom selvorganisering på grunnlag av et program, men ifølge en plan, ville det være mye vanskeligere for oss å utvikle oss.
For hundre år siden, da forskere fremdeles ikke kjente lovene om fosterutvikling, virket mye i evolusjonen uforståelig for dem. For eksempel lurte noen forskere på hvordan alle de fire bena i lengre tid kunne forlenges samtidig - tross alt, for dette, hevdet de, var det nødvendig at mutasjoner samtidig endret lengden på alle fire ben samtidig! Hvis en tegning av en voksen organisme ble registrert i genomet, ville det faktisk være nødvendig å gjøre fire rettelser på denne tegningen for å øke lengden på fire ben. Nå vet vi at utviklingen fortsetter i henhold til et program der det er nok å bare gjøre en endring for at lengden på alle fire lemmer skal endres, og endring på samme måte.
Alexander Markov
