De som inte känner till biologi, genetik är intresserade av hur cellerna i kroppen "förstår" att vissa borde bli hår, andra ben, andra - hjärnor etc.? Organ bildas i följd, vissa fortsätter att bildas under hela livet, på något sätt måste kommandot "start formation" och "complete formation" ges. Och om dessa lag inte bildas från ett enda centrum kommer kaos att uppstå.
Var är detta centrum då?
Denna fråga är inte alls barnslig. Detta är faktiskt inte en, utan flera frågor, och de berör alla de viktigaste problemen, vars lösning hanteras av en stor, mycket komplex och snabbt utvecklande vetenskap - utvecklingsbiologi. Det är helt enkelt omöjligt att besvara dessa frågor väl och i detalj med några ord. Svaren på dem finns i stora och tjocka böcker och tusentals vetenskapliga artiklar. Mycket i denna vetenskap är fortfarande oklart, och nya upptäckter görs nästan varje dag.
Men några allmänna principer kan man försöka förklara.
Låt oss börja med "enda centrum", utan vilket "kaos" kommer att uppstå. Överraskande är detta inte fallet. Många delande celler kan bete sig ganska intelligent och bilda komplexa strukturer, även om de inte har ett enda kontrollcenter. Sådana processer kallas "självorganisation". Tyvärr är det mänskliga sinnet så strukturerat att det är oerhört svårt för honom att förstå sådana processer. När vi stöter på exempel på självorganisation verkar det alltid för oss ett slags oförklarligt mirakel. Till exempel, hur bildas vackra ismönster på glas eller snöflingor från slumpmässigt rörliga vattenånga molekyler? Var lagras "snöflingaprogrammet" eller dess "ritning"? Det finns ingen ritning någonstans, men programmet finns, det är de fysiska egenskaperna hos vattenmolekylen, på vilken bildningen av iskristaller beror.
Men tillbaka till klumpen av celler - det lilla embryot som bildades av ägget till följd av de första delningarna. Varje cell i embryot har samma genom (uppsättning gener). Genomet bestämmer alla cellers egenskaper, det är dess "beteendeprogram". Programmet för alla celler i embryot är detsamma. Men celler börjar snart bete sig på olika sätt: vissa förvandlas till hudceller, andra till tarmceller, och så vidare. Detta beror på att celler utbyter information - de skickar varandra kemiska signaler och ändrar sitt beteende beroende på vilka signaler de fick från sina grannar. Signaler kan också vara fysiska: celler kan "känna" sina grannar där de drar eller skjuter. Dessutom kommer vissa signaler från omvärlden. Till exempel,embryonala celler i växter avkänner tyngdkraften och tar hänsyn till det när man beslutar hur man ska uppträda. Till exempel börjar de celler som bara har grannar uppifrån förvandlas till en rot, och de med grannar bara från botten - till en stam. Slutligen kan ägget ha en enkel "märkning" från början: en av dess poler kan skilja sig från den andra i koncentrationen av vissa ämnen.
Uppförandeprogrammet för alla celler är initialt detsamma, men det kan vara ganska komplicerat och bestå av flera separata uppsättningar av regler. Vilka av uppsättningarna av regler en given cell kommer att utföra beror på signalerna som mottas av cellen. Varje separat "regel" ser ut så här: "om sådana och sådana villkor är uppfyllda, gör en sådan och sådan åtgärd." De viktigaste åtgärderna som celler gör är att slå på eller stänga av vissa gener. Att slå på eller stänga av genen förändrar cellens egenskaper, och det börjar bete sig annorlunda, att reagera annorlunda på signaler.
Kampanjvideo:
Hur är det så att celler som har samma beteendeprogram och till synes under samma förhållanden fortfarande beter sig annorlunda? Faktum är att cellerna i embryot faktiskt befinner sig i olika förhållanden - det händer bara av sig själv i processen med celldelning. Någon visade sig vara inne, någon utanför, någon under, någon på toppen, i någon är koncentrationen av ämne A hög (eftersom denna cell bildades från den delen av äggcellen där det fanns mycket av detta ämne), och i vem -Den substansen A är liten.
Celler kan också ha en "delningsräknare" som säger dem hur många gånger ägget redan har delats upp. Denna räknare är också kemisk: från början fanns det vissa ämnen i ägget, vars tillförsel inte fylls på under utvecklingen av embryot, och med hur många av dessa ämnen som finns kvar i cellen, kan man förstå hur många uppdelningar som har gått sedan utvecklingen började.
Cellbeteende-programmet kan till exempel innehålla följande kommandon:
“Om du är ute, och om koncentrationen av ämne A i dig är sådan och sådan (ligger inom sådana och sådana gränser), och om koncentrationen av ämne B omkring dig är noll, och om tio divisioner har gått sedan utvecklingen började, börja sedan utsöndra substans B."
Vad leder verkställandet av ett sådant kommando till? Det kommer att leda till det faktum att vid ett visst ögonblick (efter tio uppdelningar) visas en enda cell på ytan av embryot, som utsöndrar substans B. Det kommer att vara beläget på ett strikt definierat avstånd från en av embryonets poler, för i vårt exempel tjänade substans A som initial oocytmarkering. Följaktligen, genom koncentrationen av substans A, kan cellen bestämma på vilket avstånd från embryonets poler det är. Varför finns det bara en sådan cell som utsöndrar substans B? Men eftersom det fanns en instruktion: "Om koncentrationen av ämne B runt dig är noll." Så snart den första cellen där de angivna villkoren är uppfylld börjar frisätta substans B kommer koncentrationen av detta ämne att upphöra att vara noll och därför kommer andra celler inte att börja släppa det.
Och vad händer om vi tar bort instruktionen "Om koncentrationen av ämne B runt dig är noll" från programmet? Därefter börjar substans B utsöndras inte av en enda cell, utan av en hel remsa celler som omger embryot på ett visst avstånd från polerna. Bältets bredd och dess läge (närmare eller längre från polen där koncentrationen av A är maximal) kommer att bero på vilka koncentrationer av ämne A som anges i instruktionen "Om koncentrationen av ämne A i dig är sådan och sådan."
Nu är vårt embryo utmärkt mycket mer komplicerat och intressant än tidigare. Han har en "främre del" där det finns mycket A, och koncentrationen av B ökar från fram till bak; det har ett centralt bälte, där koncentrationen av B är maximal; och den har en rygg, där det finns liten A och där koncentrationen av B minskar från fram till bak. Vårt embryo har delats upp i skarpt avgränsade delar, där cellerna är i olika förhållanden och därför kommer att utföra olika subroutiner i deras ursprungliga allmänna program.
Vi har delat upp embryot i främre, mitten och bakre sektioner. De kan till exempel bli huvudet, överkroppen och svansen. Men jag skulle också vilja förstå var ryggen kommer att vara och var hans mage är. Hur man gör det? Det är väldigt enkelt, vi har redan gått igenom det här. En instruktion behövs som leder till att endast en cell eller en liten grupp celler utsöndrar ett ämne (till exempel B) på någon "sida" av embryot, någonstans i mitten mellan huvudet och svansen. Och låt detta ämne B starta programmet för tillväxt av en vacker grön ryggrygg där det finns mycket av det, och programmet för bildning av en mjuk rosa mage där det är knappt.
När embryot redan är så bra och i detalj "markerat", kan varje grupp av celler enkelt bestämma var det är, och aktivera den subroutine som är förberedd för detta fall (en uppsättning beteende regler).
Under utvecklingen av embryot är det sant att här och där dyker upp särskilda "kontrollcentra" - grupper av celler som släpper ett eller annat ämne, som fungerar som en signal för andra celler och påverkar deras beteende. Men samtidigt uppför sig alla celler fortfarande i strikt överensstämmelse med det ursprungliga genetiska programmet, vilket är samma för alla. Kontrollcentra uppstår av sig själva, genom självorganisation, ingen sätter dem avsiktligt in där. Och inget "enhetligt centraliserat ledarskap", än mindre meningsfullt, rimligt, krävs för detta.
I utvecklingen av riktiga djur är allt mer komplicerat än i vårt imaginära exempel, men konstigt nog inte alls. Till exempel, i de flesta djur används cirka ett dussin signalämnen för "longitudinell markering" av embryot (i vårt exempel lyckades vi göra två - A och B). En speciell grupp gener, de så kallade Hawks-generna, ansvarar för produktionen av dessa ämnen. Och för att separera embryot i vävnader (nervös, muskel, epitel etc.) används ytterligare tre dussin andra signalämnen - de kallas mikroRNA. Men detta är bara de viktigaste utvecklingsreglerna, och det finns fortfarande många hjälpmedel, och forskare har ännu inte kommit fram till alla sina egenskaper och funktioner.
Signalämnena som styr beteendet hos cellerna i embryot är mycket kraftfulla. Till exempel, om du skär av svansen på en rumpficka och släpper ett av dessa ämnen på såret, i stället för en ny svans, kommer gropfickan att växa ett gäng små ben. Sådana grymma experiment genomfördes i början av 1900-talet. Då kom genetiker till näringslivet, som lärde sig att förändra arbetet med gener i enskilda delar av embryot. Inklusive de gener som producerar ämnen - utvecklingsregler. En av de mest intressanta upptäckterna av genetiker är att generna som styr utvecklingen är mycket lika hos alla djur. De kan till och med transplanteras från ett djur till ett annat och de kommer att fungera. Om du till exempel tar en musgen som aktiverar subroutin från musögat och får den att fungera i en fluga benknopp,sedan börjar ett öga bildas på flugan. Det är sant, inte ett mus öga, utan en flues.
Så vi insåg att det inte finns någon "plan" av en vuxen organisme i genomet, utan bara ett program för beteende hos en enskild cell. Den vuxna organismen "självorganiserar" helt enkelt på grund av att varje cell strikt följer samma beteendeprogram. Matematiker säger att det skulle vara mycket svårare att koda en plan för ett vuxet djur i genomet än ett sådant program. Detta program är konstigt nog mycket enklare än den resulterande organismen. Och även om vår utveckling inte skedde genom självorganisation på basis av ett program, men enligt en plan, skulle det vara mycket svårare för oss att utvecklas.
För hundra år sedan, när forskare fortfarande inte kände till lagarna för embryoutveckling, verkade mycket i evolutionen förstås för dem. Till exempel, några forskare undrade hur alla fyra ben i processen kunde förlängas på samma gång - trots allt, för detta, ansåg de, det var nödvändigt att mutationer samtidigt ändrar längden på alla fyra ben samtidigt! Om en ritning av en vuxen organism registrerades i genomet, skulle det faktiskt ta fyra korrigeringar av denna ritning för att öka längden på fyra ben. Nu vet vi att utvecklingen fortskrider enligt ett program där det räcker med att bara göra en förändring för att längden på alla fyra lemmarna ska ändras och förändras på samma sätt.
Alexander Markov