Tí, ktorí nie sú oboznámení s biológiou, genetikou sa zaujímajú o to, ako bunky tela „chápu“, že niektorí by sa mali stať vlasmi, iní kosťami, iní - mozog atď.? Orgány sa vytvárajú postupne, niektoré sa počas života formujú, nejako sa musí dať príkaz „začatie formácie“a „úplná formácia“. A ak tieto tímy nebudú tvorené z jedného centra, vznikne chaos.
Kde je teda toto centrum?
Táto otázka nie je vôbec detinská. V skutočnosti nejde o jednu, ale o niekoľko otázok, ktoré sa dotýkajú všetkých najdôležitejších problémov, ktorých riešenie rieši veľká, veľmi komplexná a rýchlo sa rozvíjajúca vedecko - vývojová biológia. Je jednoducho nemožné odpovedať na tieto otázky dobre a podrobne niekoľkými slovami. Odpovede na ne sú obsiahnuté vo veľkých a hrubých knihách a tisícoch vedeckých článkov. Veľa v tejto vede je stále nejasných a takmer každý deň sa objavujú nové objavy.
Niektoré všeobecné princípy sa však dajú vysvetliť.
Začnime „jednotným centrom“, bez ktorého nevznikne „chaos“. Prekvapivo to tak nie je. Mnoho deliacich sa buniek sa môže správať veľmi inteligentne a vytvárať zložité štruktúry, aj keď nemajú jediné kontrolné centrum. Takéto procesy sa nazývajú „samoorganizácia“. Ľudská myseľ je nanešťastie natoľko štruktúrovaná, že je pre neho veľmi ťažké porozumieť takýmto procesom. Keď narazíme na príklady samoorganizácie, vždy sa nám zdá nejaký nevysvetliteľný zázrak. Ako napríklad tvoria krásne ľadové vzory na skle alebo snehových vločkách z náhodne sa pohybujúcich molekúl vodnej pary? Kde je uložený „program snehových vločiek“alebo jeho „plán“? Nikde nie je výkres, ale existuje program, jedná sa o fyzikálne vlastnosti molekuly vody, od ktorých závisí tvorba ľadových kryštálov.
Ale späť k zhluku buniek - malému embryu, ktoré sa vytvorilo z vajíčka v dôsledku niekoľkých prvých divízií. Každá bunka v embryu má rovnaký genóm (súbor génov). Genom určuje všetky vlastnosti bunky, je to jej „program správania“. Program pre všetky bunky embrya je rovnaký. Bunky sa však čoskoro začnú správať rôznymi spôsobmi: niektoré sa premenia na kožné bunky, iné na črevné bunky atď. Dôvodom je skutočnosť, že bunky si vymieňajú informácie - vysielajú si navzájom chemické signály a menia svoje správanie v závislosti od toho, aké signály dostali od svojich susedov. Signály môžu byť tiež fyzické: bunky môžu „cítiť“svojich susedov tam, kde ťahajú alebo tlačia. Niektoré signály navyše prichádzajú z vonkajšieho sveta. Napríklad,embryonálne bunky v rastlinách vnímajú gravitáciu a zohľadňujú ju pri rozhodovaní o tom, ako sa správať. Napríklad tie bunky, ktoré majú susedov iba zhora, sa začínajú premieňať na koreň a bunky so susedmi iba zdola - na kmeň. A konečne, vajíčko môže mať jednoduché „značenie“od samého začiatku: jeden z jeho pólov sa môže od ostatných líšiť v koncentrácii niektorých látok.
Program správania pre všetky bunky je spočiatku rovnaký, ale môže byť dosť zložitý a môže pozostávať z niekoľkých samostatných súborov pravidiel. Ktoré zo súborov pravidiel bude daná bunka vykonávať, závisí od signálov prijatých bunkou. Každé samostatné „pravidlo“vyzerá takto: „ak sú také podmienky a podmienky splnené, urob tak a tak.“Hlavným účinkom buniek je zapnutie alebo vypnutie určitých génov. Zapnutím alebo vypnutím génu sa zmenia vlastnosti bunky a začne sa správať inak, inak bude reagovať na signály.
Propagačné video:
Ako je možné, že bunky, ktoré majú rovnaký program správania a sú zdanlivo v rovnakých podmienkach, sa stále správajú odlišne? Faktom je, že bunky embrya sú v skutočnosti v rôznych podmienkach - iba sa to stáva samo o sebe v procese delenia buniek. Ukázalo sa, že niekto je vo vnútri, niekto mimo, niekto pod, niekto na vrchu, u niekoho je koncentrácia látky A vysoká (pretože táto bunka bola vytvorená z tej časti vaječnej bunky, kde bolo veľa tejto látky), a u ktorej - táto látka A je malá.
Bunky môžu mať aj "počítadlo divízií", ktoré im povie, koľkokrát sa už vajcia rozdelilo. Toto počítadlo je tiež chemické: spočiatku sa vo vajci nachádzali určité látky, ktorých dodávka sa počas vývoja embrya nenaplňovala a koľko z týchto látok zostalo v bunke, je možné pochopiť, koľko divízií prešlo od začiatku vývoja.
Program bunkového správania môže obsahovať napríklad nasledujúce príkazy:
„Ak ste vonku, a ak je koncentrácia látky A vo vás taká a taká (je v rámci takýchto limitov), a ak je koncentrácia látky B okolo vás nula, a ak od začiatku vývoja prešlo 10 divízií, potom začnite vylučovať látku B."
K čomu povedie vykonanie takého príkazu? To povedie k tomu, že v určitom okamihu (po desiatich divíziách) sa na povrchu embrya objaví jedna bunka, ktorá vylučuje látku B. Bude umiestnená v presne definovanej vzdialenosti od jedného z pólov embrya, pretože v našom príklade látka A slúžila na počiatočné značenie oocytov. V dôsledku toho môže koncentrácia látky A určiť, v akej vzdialenosti od pólov embrya je. Prečo existuje iba jedna taká bunka, ktorá vylučuje látku B? Ale pretože tu bola inštrukcia: „Ak je koncentrácia látky B okolo vás nula.“Hneď ako prvá bunka, v ktorej sú splnené uvedené podmienky, začne uvoľňovať látku B, jej koncentrácia prestane byť nulová, a preto ju ostatné bunky neuvoľnia.
A čo sa stane, ak z programu odstránime inštrukciu „Ak je koncentrácia látky B okolo vás nula“? Potom sa látka B začne vylučovať nie jednou bunkou, ale celým pásom buniek obklopujúcim embryo v určitej vzdialenosti od pólov. Šírka pásu a jeho poloha (bližšie alebo ďalej od pólu, kde je koncentrácia A maximálna), bude závisieť od toho, aké koncentrácie látky A sú uvedené v pokyne „Ak je koncentrácia látky A vo vás taká a taká“. “
Teraz je naše embryo označené oveľa komplikovanejšie a zaujímavejšie ako predtým. Má „prednú časť“, v ktorej je veľa A a koncentrácia B sa zvyšuje spredu dozadu; má stredný pás, kde je koncentrácia B maximálna; a má chrbát, kde je málo A a kde koncentrácia B klesá spredu dozadu. Naše embryo sa rozdelilo na ostro ohraničené časti, v ktorých sú bunky v rôznych podmienkach, a preto budú vykonávať rôzne podprogramy svojho pôvodného všeobecného programu.
Embryo sme rozdelili na prednú, strednú a zadnú časť. Môžu sa stať napríklad hlavou, trupom a chvostom. Chcel by som však tiež pochopiť, kde bude jeho chrbát a kde je jeho žalúdok. Ako to spraviť? Je to veľmi jednoduché, už sme to prešli. Je potrebná inštrukcia, ktorá vedie k výskytu iba jednej bunky alebo malej skupiny buniek vylučujúcich nejakú látku (napríklad B) na akejkoľvek „strane“embrya, niekde uprostred medzi hlavou a chvostom. A nechajte túto látku B spustiť program na pestovanie krásneho zeleného chrbtového hrebeňa, kde je toho veľa, a program na vytvorenie jemnej ružovej brucho, kde je nedostatok.
Ak je embryo už tak dobre a podrobne „označené“, každá skupina buniek môže ľahko určiť, kde sa nachádza, a aktivovať podprogram pripravený na tento prípad (súbor pravidiel správania).
Počas vývoja embrya je pravda, že sem a tam sa objavujú špeciálne „kontrolné centrá“- skupiny buniek, ktoré uvoľňujú jednu alebo druhú látku, ktorá slúži ako signál pre ďalšie bunky a ovplyvňuje ich správanie. Zároveň sa však všetky bunky správajú presne podľa pôvodného genetického programu, ktorý je rovnaký pre všetkých. Kontrolné centrá vznikajú samy osebe prostredníctvom sebaorganizácie a nikto ich tam zámerne nevkladá. A na to sa nevyžaduje „jednotné centralizované vedenie“, nieto zmysluplné, primerané.
Vo vývoji skutočných zvierat je všetko zložitejšie ako v našom imaginárnom príklade, ale napodiv nie veľa. Napríklad u väčšiny zvierat sa na „pozdĺžne značenie“embrya používa asi tucet signalizačných látok (v našom príklade sa nám podarilo urobiť dve - A a B). Za produkciu týchto látok je zodpovedná špeciálna skupina génov, takzvané Hawksove gény. A na rozdelenie embrya na tkanivá (nervové, svalové, epitelové atď.) Sa používajú ďalšie tri tucty ďalších signalizačných látok - nazývajú sa mikroRNA. Sú to však len najdôležitejšie regulátory vývoja a stále existuje veľa pomocných regulátorov a vedci ešte neprišli na všetky svoje vlastnosti a funkcie.
Signalizačné látky, ktoré riadia správanie buniek embrya, sú veľmi silné. Napríklad, ak si odrezáte chvost pulec a pustíte jednu z týchto látok na ranu, potom namiesto nového chvosta pulec vyrastie banda malých nôh. Takéto kruté experimenty sa uskutočnili začiatkom 20. storočia. Potom sa genetici začali venovať biznisu, ktorý sa naučil meniť prácu génov v jednotlivých častiach embrya. Vrátane génov, ktoré produkujú látky - regulátory vývoja. Jedným z najzaujímavejších objavov genetikov je to, že gény, ktoré kontrolujú vývoj, sú u všetkých zvierat veľmi podobné. Môžu byť dokonca transplantované z jedného zvieraťa na druhé a budú fungovať. Napríklad, ak vezmete gén myši, ktorý zapne podprogram myši a spôsobí, že bude fungovať v pupenoch nôh mušky,potom sa na nohe muchy začne tvoriť oko. Pravda, nie oko myši, ale muška.
Uvedomili sme si, že v genóme neexistuje „plán“dospelého organizmu, ale iba program na správanie jednotlivých buniek. Dospelý organizmus sa „organizuje“jednoducho preto, že každá bunka prísne dodržiava rovnaký program správania. Matematici tvrdia, že by bolo oveľa ťažšie kódovať plán dospelého zvieraťa v genóme ako taký program. Tento program, napodiv, je omnoho jednoduchší ako výsledný organizmus. A tiež, ak by náš vývoj nepostupoval prostredníctvom samoorganizácie na základe programu, ale podľa plánu, bolo by pre nás oveľa ťažšie vyvíjať sa.
Pred sto rokmi, keď vedci stále nepoznali zákony vývoja embryí, sa im zdálo, že veľa v evolúcii je pre nich nepochopiteľné. Napríklad, niektorí vedci sa pýtali, ako sa môžu v procese evolúcie všetky štyri končatiny súčasne predlžovať - koniec koncov, odôvodnili, bolo potrebné, aby mutácie súčasne menili súčasne dĺžku všetkých štyroch končatín! Ak by sa v genóme zaznamenala kresba dospelého organizmu, bolo by potrebné urobiť štyri korekcie na tejto kresbe, aby sa predĺžila dĺžka štyroch nôh. Teraz vieme, že vývoj pokračuje podľa programu, v ktorom stačí zmeniť iba jednu dĺžku, aby sa zmenili všetky štyri končatiny a rovnakým spôsobom sa zmenili.
Alexander Markov