Ne, jotka eivät tunne biologiaa, genetiikkaa, ovat kiinnostuneita siitä, kuinka kehon solut "ymmärtävät", että toisten tulee tulla hiuksiksi, toisten luita, toisten - aivoja jne.? Orgaanit muodostuvat peräkkäin, jotkut jatkavat muodostumistaan koko elämän ajan, jotenkin komennot "aloita muodostuminen" ja "täydellinen muodostuminen" on annettava. Ja jos nämä joukkueet eivät muodostu yhdestä keskuksesta, syntyy kaaos.
Missä tämä keskus sitten on?
Tämä kysymys ei ole ollenkaan lapsellinen. Kyse ei ole oikeastaan yhdestä, vaan useista kysymyksistä, ja ne koskevat kaikkia tärkeimpiä ongelmia, joiden ratkaisuun liittyy suuri, erittäin monimutkainen ja nopeasti kehittyvä tiede - kehitysbiologia. Näihin kysymyksiin on yksinkertaisesti mahdotonta vastata hyvin ja yksityiskohtaisesti muutamalla sanalla. Vastaukset niihin sisältyvät suuriin ja paksuihin kirjoihin ja tuhansiin tieteellisiin artikkeleihin. Suuri osa tästä tieteestä on edelleen epäselvää, ja uusia löytöjä tehdään melkein joka päivä.
Mutta joitain yleisiä periaatteita voidaan yrittää selittää.
Aloitetaan "yhdellä keskuksella", jota ilman "kaaos" syntyy. Yllättäen tämä ei ole tilanne. Monet jakavat solut voivat käyttäytyä melko älykkäästi ja muodostaa monimutkaisia rakenteita, vaikka niillä ei olisi yhtä ohjauskeskusta. Sellaisia prosesseja kutsutaan "itseorganisoitumiseksi". Valitettavasti ihmismieli on niin rakennettu, että hänen on erittäin vaikea ymmärtää sellaisia prosesseja. Kun löydämme esimerkkejä itseorganisoinnista, se näyttää meille aina jonkinlaiselta selittämättömältä ihmeeltä. Esimerkiksi miten kauniit jääkuviot lasilla tai lumihiutaleilla muodostuvat satunnaisesti liikkuvista vesihöyrymolekyyleistä? Mihin "lumihiutaleohjelma" tai sen "suunnitelma" on tallennettu? Mitään piirtämistä ei ole, mutta ohjelma on olemassa, nämä ovat vesimolekyylin fysikaalisia ominaisuuksia, joista jääkiteiden muodostuminen riippuu.
Mutta takaisin solukonkereen - pieneen alkioon, joka muodostui munasta muutaman ensimmäisen jakautumisen seurauksena. Alkion jokaisella solulla on sama genomi (geenijoukot). Genomi määrittelee kaikki solun ominaisuudet, tämä on sen "käyttäytymisohjelma". Alkion kaikissa soluissa on sama ohjelma. Solut alkavat kuitenkin pian käyttäytyä eri tavoin: toiset muuttuvat ihosoluiksi, toiset suolistosoluiksi ja niin edelleen. Tämä johtuu siitä, että solut vaihtavat tietoa - ne lähettävät toisilleen kemiallisia signaaleja ja muuttavat käyttäytymistään riippuen siitä, mitä signaaleja he ovat vastaanottaneet naapureiltaan. Signaalit voivat olla myös fyysisiä: solut voivat "tuntea" naapurinsa siellä, missä ne vetävät tai työntävät. Lisäksi jotkut signaalit tulevat ulkomaailmasta. Esimerkiksi,kasvien alkion solut havaitsevat painovoiman ja ottavat sen huomioon käyttäytymistä päättäessään. Esimerkiksi ne solut, joilla on naapureita vain ylhäältä, alkavat muuttua juureksi, ja ne, joissa naapurit ovat vain alhaalta - varreksi. Lopuksi, munasolulla voi olla alusta alkaen yksinkertainen "merkintä": sen navat voivat erota toisistaan joidenkin aineiden pitoisuuksilla.
Kaikkien solujen käyttäytymisohjelma on alun perin sama, mutta se voi olla melko monimutkainen ja koostua useista erillisistä säännöistä. Mikä määräyksistä tietty solu suorittaa, riippuu solun vastaanottamista signaaleista. Jokainen erillinen "sääntö" näyttää noin tältä: "Jos tällaiset ja sellaiset ehdot täyttyvät, tee sellainen ja tällainen toiminta". Pääasialliset toimenpiteet, jotka solut tekevät, ovat tiettyjen geenien kytkeminen päälle tai pois. Geenin kytkeminen päälle tai pois päältä muuttaa solun ominaisuuksia, ja se alkaa käyttäytyä eri tavalla, reagoida eri tavalla signaaleihin.
Mainosvideo:
Kuinka solut, joilla on sama käyttäytymisohjelma ja jotka näennäisesti ovat samoissa olosuhteissa, käyttäytyvät edelleen eri tavalla? Tosiasia on, että alkion solut ovat todella erilaisissa olosuhteissa - se tapahtuu vain itsessään solunjakautumisprosessissa. Joku osoittautui sisälle, joku ulkopuolelle, joku alapuolelle, joku päälle, jonkun aineen A pitoisuus on korkea (koska tämä solu muodostui munasolun siitä osasta, jossa tätä ainetta oli paljon), ja kenessä - tämä aine A on pieni.
Soluilla voi olla myös "jakolaskuri", joka kertoo heille, kuinka monta kertaa muna on jo jakautunut. Tämä laskuri on myös kemiallinen: alun perin munassa oli tiettyjä aineita, joiden tarjontaa ei täydennetä alkion kehityksen aikana, ja kuinka monta näistä aineista jäi soluun, voidaan ymmärtää, kuinka monta jakautumista on kulunut kehityksen alusta.
Solukäyttäytymisohjelma voi sisältää esimerkiksi seuraavat komennot:
”Jos olet ulkona, ja jos aineen A pitoisuus sinussa on sellainen ja sellainen (on sellaisissa ja sellaisissa rajoissa), ja jos aineen B pitoisuus ympärilläsi on nolla, ja jos 10 jakoa on kulunut kehityksen alusta, sitten alkaa erittää ainetta B."
Mihin tällaisen komennon suorittaminen johtaa? Se johtaa siihen, että tietyllä hetkellä (kymmenen jakautumisen jälkeen) yksi alkio ilmestyy alkion pintaan erittäen ainetta B. Se sijoittuu tiukasti määritellylle etäisyydelle yhdestä alkion navasta, koska esimerkissämme aine A palveli alkuvaiheessa. munasolujen merkintä. Niinpä solu voi aineen A konsentraatiolla määrittää millä etäisyydellä alkion napoista se on. Miksi on vain yksi tällainen solu, joka erittää ainetta B? Mutta koska oli ohje: "Jos aineen B pitoisuus ympärilläsi on nolla." Heti kun ensimmäinen solu, jossa mainitut ehdot täyttyvät, alkaa vapauttaa ainetta B, tämän aineen pitoisuus lakkaa nollasta, ja siksi muut solut eivät ala vapauttamaan sitä.
Ja mitä tapahtuu, jos poistamme ohjeen “Jos aineen B pitoisuus ympärilläsi on nolla” ohjelmasta? Sitten ainetta B alkaa erittää ei yksi solu, vaan koko solulinja, joka ympäröi alkion tietyllä etäisyydellä napoista. Hihnaleveys ja sen sijainti (lähempänä tai kauempana navasta, jossa A-pitoisuus on suurin) riippuvat siitä, mitkä aineen A pitoisuudet ilmoitetaan ohjeessa "Jos aine A: n pitoisuus sinussa on sellainen".
Nyt alkio on merkitty huomattavasti aiempaa monimutkaisemmalta ja mielenkiintoisemmalta. Hänellä on "etuosa", jossa on paljon A: ta, ja B: n pitoisuus kasvaa edestä taakse; siinä on keskivyö, jossa B-pitoisuus on suurin; ja siinä on selkä, jossa on vähän A ja jossa B: n pitoisuus laskee edestä taakse. Alkiamme on jaettu terävästi rajattuihin osiin, joissa solut ovat eri olosuhteissa ja suorittavat siksi alkuperäisen yleisohjelmansa eri aliohjelmat.
Olemme jakaneet alkion etu-, keski- ja takaosaan. Niistä voi tulla esimerkiksi pää, vartalo ja häntä. Mutta haluaisin myös ymmärtää, missä hänen selkänsä on ja missä vatsa on. Kuinka tehdä se? Se on hyvin yksinkertaista, olemme jo käyneet läpi tämän. Tarvitaan ohje, joka johtaa siihen, että vain yksi solu tai pieni soluryhmä, joka erittelee jotain ainetta (esimerkiksi B), alkion millä tahansa "puolella", jossain keskellä pään ja hännän välissä. Ja anna tämän aineen B käynnistää ohjelman kauniin vihreän selänharjan kasvulle, jossa sitä on paljon, ja ohjelman pehmeän vaaleanpunaisen vatsan muodostumiseen siellä, missä sitä on vähän.
Kun alkio on jo niin hyvin ja yksityiskohtaisesti "merkitty", kukin soluryhmä voi helposti määrittää missä se on ja aktivoida tätä tapausta varten valmistettu aliohjelma (joukko käyttäytymissääntöjä).
Alkion kehittämisen aikana on totta, että täällä ja siellä ilmenee erityisiä "ohjauskeskuksia" - soluryhmiä, jotka vapauttavat yhden tai toisen aineen, joka toimii signaalina muille soluille ja vaikuttaa niiden käyttäytymiseen. Mutta samaan aikaan kaikki solut käyttäytyvät edelleen tiukasti alkuperäisen geneettisen ohjelman mukaisesti, joka on kaikille sama. Ohjauskeskukset syntyvät itsestään, itseorganisoitumisen kautta, kukaan ei tarkoituksella aseta niitä sinne. Eikä tätä varten tarvita "yhtenäistä keskitettyä johtamista", puhumattakaan merkityksellisestä, kohtuullisesta.
Oikeiden eläinten kehityksessä kaikki on monimutkaisempaa kuin kuvitteellisessa esimerkissämme, mutta omituisen kyllä, ei kovinkaan paljon. Esimerkiksi useimmissa eläimissä alkion "pitkittäismerkinnöissä" käytetään noin tusinaa signalointiaineita (esimerkissämme onnistuimme tekemään kaksi - A ja B). Erityinen geeniryhmä, ns. Hawks-geenit, vastaa näiden aineiden tuotannosta. Alkion erottamiseksi kudoksiin (hermo-, lihas-, epiteeli- jne.) Käytetään vielä kolme tusinaa muuta signalointiainetta - niitä kutsutaan mikroRNA: ksi. Mutta nämä ovat vain tärkeimpiä kehityksen säätelijöitä, ja niitä on edelleen monia, ja tutkijat eivät ole vielä selvittäneet kaikkia niiden ominaisuuksia ja toimintoja.
Alkion solujen käyttäytymistä säätelevät signaloivat aineet ovat erittäin voimakkaita. Esimerkiksi, jos katkaiset ruokkien pyrstön ja pudotat yhden näistä aineista haavaan, silloin uuden pyrstön sijasta, kurpitsa kasvattaa joukon pieniä jalkoja. Tällaiset julmat kokeilut tehtiin 1900-luvun alussa. Sitten geneetikot aloittivat liiketoiminnan, jotka oppivat muuttamaan geenien työtä alkion yksittäisissä osissa. Mukaan lukien ne geenit, jotka tuottavat aineita - kehityksen säätelijät. Yksi mielenkiintoisimmista geneetikkojen löytöistä on, että kehitystä hallitsevat geenit ovat hyvin samanlaisia kaikissa eläimissä. Ne voidaan jopa siirtää eläimestä toiseen ja ne toimivat. Jos esimerkiksi otat hiiren geenin, joka kytkee hiiren silmän aliohjelman päälle ja saa sen toimimaan kärpäsen jalkapungossa,sitten kärpäsen jalaan alkaa muodostua silmä. Totta, ei hiiren silmä, mutta kärpäsen.
Joten tajusimme, että genomissa ei ole aikuisen organismin "suunnitelmaa", vaan vain yksittäisen solun käyttäytymisohjelma. Aikuinen organismi "itseorganisoituu" yksinkertaisesti siitä syystä, että jokainen solu noudattaa tiukasti samaa käyttäytymisohjelmaa. Matemaatikot sanovat, että aikuisen eläimen genomin suunnitelman koodaaminen olisi paljon vaikeampaa kuin tällainen ohjelma. Kummallista kyllä, tämä ohjelma on paljon yksinkertaisempi kuin tuloksena oleva organismi. Ja myös, jos kehityksemme ei edetä itse organisaatiota, joka perustuu ohjelmaan, vaan suunnitelman mukaan, meillä on paljon vaikeampaa kehittyä.
Sata vuotta sitten, kun tutkijat eivät vieläkään tienneet alkionkehityksen lakeja, evoluutiossa suuri osa näytti heille käsittämätöntä. Esimerkiksi jotkut tutkijat ihmettelivät, kuinka evoluutioprosessissa kaikki neljä jalkaa voisivat pidentyä samanaikaisesti - loppujen lopuksi, koska he perustelivat, oli tarpeen, että mutaatiot muuttavat samanaikaisesti kaikkien neljän jalan pituutta kerralla! Itse asiassa, jos genomiin rekisteröidään aikuisen organismin piirustus, niin piirustukseen olisi tehtävä neljä korjausta neljän jalan pituuden pidentämiseksi. Nyt tiedämme, että kehitys etenee ohjelman mukaan, jossa riittää, että vain yksi muutos tehdään kaikkien neljän raajan pituudeksi ja muuttuu samalla tavalla.
Aleksanteri Markov