One koji nisu upoznati s biologijom, genetikom zanima kako stanice tijela "razumiju" da neke trebaju postati kosa, druge kosti, druge - mozak itd.? Organi se formiraju uzastopno, neki se nastavljaju formirati tijekom života, nekako se mora dati naredba "započnite s formiranjem" i "dovršite formaciju". A ako se ti timovi ne formiraju iz jednog centra, nastat će kaos.
Gdje je onda taj centar?
Ovo pitanje uopće nije djetinjasto. Zapravo, to nije jedno, već nekoliko pitanja, a oni se dotiču svih najvažnijih problema, čijem se rješavanju bavi velika, vrlo složena i brzo razvijajuća znanost - razvojna biologija. Na ta je pitanja jednostavno nemoguće odgovoriti dobro i detaljno u nekoliko riječi. Odgovori na njih sadržani su u velikim i debelim knjigama i tisućama znanstvenih članaka. Mnogo toga u ovoj znanosti još uvijek nije jasno, a nova otkrića počinju gotovo svakodnevno.
No, neka se opća načela mogu pokušati objasniti.
Započnimo s "jedinstvenim centrom", bez kojeg će nastati "kaos". Začudo, to nije slučaj. Mnoge stanice koje se dijele mogu se ponašati prilično inteligentno i tvore složene strukture, čak i ako nemaju samo jedan kontrolni centar. Takvi se procesi nazivaju „samoorganizacija“. Nažalost, ljudski um je toliko strukturiran da mu je užasno teško razumjeti takve procese. Kad naiđemo na primjere samoorganizacije, uvijek nam se čini neka vrsta neobjašnjivog čuda. Na primjer, kako nastaju lijepi uzorci leda na staklu ili snježnim pahuljicama od nasumično pokretnih molekula vodene pare? Gdje se pohranjuje "program snježne pahulje" ili njegov "nacrt"? Nigdje nema crteža, ali program postoji, to su fizička svojstva molekule vode, o kojoj ovisi stvaranje ledenih kristala.
Ali natrag u grupu stanica - sitni zametak koji je nastao iz jajeta kao rezultat prvih nekoliko podjela. Svaka stanica u embriju ima isti genom (skup gena). Genom određuje sva svojstva stanice, ovo je njezin "program ponašanja". Program za sve stanice embrija je isti. Međutim, stanice se ubrzo počinju ponašati na različite načine: neke se pretvaraju u stanice kože, druge u stanice crijeva i tako dalje. To je zbog činjenice da stanice razmjenjuju informacije - međusobno šalju kemijske signale i mijenjaju svoje ponašanje ovisno o tome koji su signali dobili od svojih susjeda. Signali mogu biti i fizički: stanice mogu "osjetiti" svoje susjede tamo gdje se povlače ili guraju. Pored toga, neki signali dolaze iz vanjskog svijeta. Na primjer,embrionalne stanice u biljkama osjećaju gravitaciju i uzimaju to u obzir prilikom odlučivanja kako se ponašati. Na primjer, one stanice koje imaju susjede samo odozgo počinju se pretvarati u korijen, a one sa susjedima samo odozdo - u stabljiku. Konačno, jajolik može od samog početka imati jednostavno "označavanje": jedan se njegov stup može razlikovati od drugog u koncentraciji nekih tvari.
Program ponašanja za sve stanice u početku je isti, ali može biti prilično složen i sastoji se od nekoliko zasebnih skupova pravila. Koji će niz pravila izvršavati neka ćelija, ovisi o signalima koje stanica prima. Svako zasebno „pravilo“izgleda ovako: „ako su ispunjeni takvi i takvi uvjeti, napravite takvu i takvu radnju“. Glavno djelovanje stanica je uključivanje ili isključivanje određenih gena. Uključivanje ili isključivanje gena mijenja svojstva ćelije i počinje se ponašati drugačije, različito reagirati na signale.
Promotivni video:
Kako to da se stanice koje imaju isti program ponašanja i naizgled u istim uvjetima i dalje ponašaju drugačije? Činjenica je da su stanice embrija zapravo u različitim uvjetima - to se događa samo od sebe u procesu diobe stanica. Netko se pokazao iznutra, netko izvana, netko odozdo, netko odozgo, u nekome je koncentracija tvari A visoka (jer je ta ćelija nastala iz onog dijela jajne stanice u kojem je bilo puno ove tvari), i u kome -da je tvar A mala.
Stanice također mogu imati "brojač za podjelu" koji im govori koliko je puta jaje već podijelilo. Ovaj brojač je i kemijski: u početku su se u jajetu nalazile određene tvari, čija se opskrba tijekom razvoja zametka ne obnavlja, a koliko je tih tvari ostalo u stanici, može se razumjeti koliko je odjeljenja prošlo od početka razvoja.
Program ponašanja ćelija može sadržavati, na primjer, sljedeće naredbe:
"Ako ste vani, i ako je koncentracija tvari A u vama takva i takva (unutar takvih i takvih granica), i ako je koncentracija tvari B oko vas nula, i ako je od početka razvoja prošlo 10 podjela, tada počnite izlučivati supstancu B."
Do čega će dovesti izvršavanje takve naredbe? To će dovesti do činjenice da se u određenom trenutku (nakon deset dijeljenja) na površini embrija pojavi jedna stanica koja izlučuje supstancu B. Bit će smještena na strogo određenoj udaljenosti od jednog od pola embrija, jer je u našem primjeru tvar A služila za početnu obilježavanje oocita. Slijedom toga, koncentracija tvari A, stanica može odrediti na kojoj je udaljenosti od polova embrija. Zašto postoji samo jedna takva stanica koja izlučuje supstancu B? Ali zato što je postojala pouka: "Ako je koncentracija tvari B oko vas jednaka nuli." Čim prva ćelija u kojoj su ispunjeni navedeni uvjeti počne otpuštati tvar B, koncentracija ove tvari prestat će biti jednaka nuli, te je stoga ostale stanice neće je početi oslobađati.
A što se događa ako iz programa uklonimo upute „Ako je koncentracija tvari B oko vas jednaka nuli“? Tada će tvar B početi izlučivati ne jedna stanica, već čitava traka stanica koja okružuje embrij na određenoj udaljenosti od polova. Širina pojasa i njegov položaj (bliži ili dalje od pola gdje je koncentracija A najveća) ovisit će o tome koje su koncentracije tvari A navedene u uputi "Ako je koncentracija tvari A u vama takva i takva."
Sada je naš embrij obilježen mnogo složenije i zanimljivije nego prije. Ima "prednji dio" u kojem ima puno A, a koncentracija B raste od prednjeg do stražnjeg dijela; ima središnji pojas, gdje je koncentracija B najveća; i ima leđa, gdje je malo A i gdje koncentracija B opada sprijeda i nazad. Naš embrion se podijelio na oštro razgraničene dijelove, u kojima su stanice u različitim uvjetima i zbog toga će provoditi različite potprograme svog izvornog općeg programa.
Embrij smo podijelili na prednji, srednji i zadnji dio. Oni mogu postati, na primjer, glava, trup i rep. Ali volio bih i razumjeti gdje će mu biti leđa i gdje mu je želudac. Kako to učiniti? Vrlo je jednostavno, to smo već prošli. Potrebna je upute koja dovode do pojave samo jedne stanice ili male skupine stanica koje izlučuju neku tvar (na primjer, B) na bilo kojoj "strani" embrija, negdje na sredini između glave i repa. I neka ova tvar B pokrene program za rast prekrasnog zelenog dorzalnog grebena gdje ga ima puno, i program za stvaranje mekog ružičastog trbuha gdje je oskudan.
Kad je embrij već tako dobro i detaljno „označen“, svaka skupina ćelija lako može odrediti gdje se nalazi i aktivirati podprogram pripremljen za ovaj slučaj (skup pravila ponašanja).
Tijekom razvoja embrija istina je da se tu i tamo pojave posebni "kontrolni centri" - skupine stanica koje oslobađaju jednu ili drugu tvar, koja služi kao signal drugim stanicama i utječe na njihovo ponašanje. Ali istodobno se sve stanice i dalje ponašaju u strogom skladu s izvornim genetskim programom, a to je isto za sve. Kontrolni centri nastaju sami, kroz samoorganizaciju, a nitko ih tamo namjerno ne ubacuje. I za to nije potrebno "jedinstveno centralizirano vodstvo", a kamoli smisleno, razumno.
U razvoju pravih životinja sve je složenije nego u našem imaginarnom primjeru, ali, začudo, ne puno. Na primjer, kod većine životinja koristi se desetak signalnih tvari za "uzdužno označavanje" embrija (u našem primjeru uspjeli smo napraviti dvije - A i B). Za proizvodnju tih tvari odgovorna je posebna skupina gena, takozvani Hawks geni. A za odvajanje embrija u tkiva (živčani, mišićni, epitelijski itd.) Koristi se još tri desetak drugih signalnih tvari - nazivaju se mikroRNA. Ali to su samo najvažniji regulatori razvoja, a još uvijek postoje mnogi pomoćni, a znanstvenici još nisu utvrdili sva njihova svojstva i funkcije.
Signalne tvari koje upravljaju ponašanjem stanica embrija su vrlo snažne. Na primjer, ako odsječete rep mlakolje i bacate jednu od tih tvari na ranu, tada će umjesto novog repa narasti gomila malih nogu. Takvi surovi pokusi izvedeni su početkom 20. stoljeća. Tada su se generičari uključili u posao, koji su naučili mijenjati rad gena u pojedinim dijelovima embrija. Uključujući i gene koji proizvode tvari - regulatori razvoja. Jedno od najzanimljivijih otkrića genetičara je da su geni koji kontroliraju razvoj vrlo slični kod svih životinja. Oni se čak mogu presaditi s jedne životinje na drugu i oni će raditi. Na primjer, ako uzmete gen miša koji se uključi u podprogramu mišog oka i natjera ga da radi u pupoljku muhe,tada se na nozi muhe počinje formirati oko. Istina, nije mišje oko, već muha.
Dakle, shvatili smo da ne postoji "nacrt" odraslog organizma u genomu, već samo program za ponašanje pojedine stanice. Organizam odraslih se „samoorganizira“jednostavno zbog činjenice da svaka stanica strogo slijedi isti program ponašanja. Matematičari kažu da bi bilo mnogo teže kodirati nacrt odrasle životinje u genomu nego takav program. Ovaj je program, začudo, sam po sebi mnogo jednostavniji od rezultirajućeg organizma. Također, ako bi se naš razvoj odvijao ne kroz samoorganizaciju na temelju programa, već prema nacrtu, bilo bi nam mnogo teže evoluirati.
Prije stotinu godina, kada znanstvenici još uvijek nisu poznavali zakone razvoja embrija, mnogo se toga u evoluciji činilo neshvatljivim. Na primjer, neki su se znanstvenici pitali kako bi se u procesu evolucije sve četiri noge mogle istodobno produžiti - uostalom, za to su, zaključili su, nužne da mutacije istodobno mijenjaju dužinu sve četiri noge odjednom! Doista, ako je u genomu zabilježen crtež odraslog organizma, bilo bi potrebno napraviti četiri ispravke ovog crteža kako bi se povećala duljina četiri noge. Sada znamo da se razvoj odvija u skladu s programom u kojem je dovoljno napraviti samo jednu promjenu, kako bi se dužina sva četiri udova promijenila, i promijenila na isti način.
Aleksandar Markov