Cei care nu sunt familiarizați cu biologia, genetica sunt interesați de modul în care celulele corpului „înțeleg” că unii ar trebui să devină păr, alții oase, alții - creier etc. Organele sunt formate secvențial, unele continuă să se formeze de-a lungul vieții, cumva trebuie să se dea comanda „formarea inițială” și „formarea completă”. Și dacă aceste echipe nu sunt formate dintr-un singur centru, va apărea haos.
Unde este acest centru?
Această întrebare nu este deloc copilărească. De fapt, aceasta nu este una, ci mai multe întrebări și abordează toate problemele cele mai importante, a căror soluție este abordată de o mare știință, biologie dezvoltată, foarte complexă și rapidă. Este pur și simplu imposibil să răspundeți la aceste întrebări bine și în detaliu în câteva cuvinte. Răspunsurile la acestea sunt conținute în cărți mari și groase și mii de articole științifice. O mare parte din această știință este încă neclară și noi descoperiri sunt făcute aproape în fiecare zi.
Dar unele principii generale pot fi încercate să explice.
Să începem cu „unicul centru”, fără de care va apărea „haosul”. În mod surprinzător, nu este cazul. Multe celule divizante se pot comporta destul de inteligent și pot forma structuri complexe, chiar dacă nu au un singur centru de control. Astfel de procese sunt numite „auto-organizare”. Din păcate, mintea umană este atât de structurată încât îi este teribil de greu să înțeleagă astfel de procese. Când întâlnim exemple de autoorganizare, ni se pare întotdeauna un fel de minune inexplicabil. De exemplu, cum se formează modele frumoase de gheață pe sticlă sau fulgi de zăpadă din molecule de vapori de apă care se mișcă aleatoriu? Unde se păstrează „programul fulgilor de zăpadă” sau „modelul”? Nu există niciun desen nicăieri, dar programul există, acestea sunt proprietățile fizice ale moleculei de apă, de care depinde formarea cristalelor de gheață.
Dar înapoi la grupul de celule - embrionul minuscul care s-a format din ou ca urmare a primelor diviziuni. Fiecare celulă din embrion are același genom (set de gene). Genomul determină toate proprietățile unei celule, acesta este „programul său de comportament”. Programul pentru toate celulele embrionului este același. Cu toate acestea, celulele încep curând să se comporte în moduri diferite: unele se transformă în celule ale pielii, altele în celule intestinale și așa mai departe. Acest lucru se datorează faptului că celulele schimbă informații - se transmit reciproc semnale chimice și își schimbă comportamentul în funcție de semnalele primite de la vecinii lor. Semnalele pot fi, de asemenea, fizice: celulele își pot „simți” vecinii acolo unde trag sau împing. În plus, unele semnale provin din lumea exterioară. De exemplu,celulele embrionare din plante simt gravitația și o iau în calcul atunci când decid cum să se comporte. De exemplu, acele celule care au vecini doar de sus încep să se transforme într-o rădăcină, iar cele cu vecini doar de jos - într-o tulpină. În cele din urmă, ovulul poate avea de la bun început o simplă „marcare”: unul dintre poli poate diferi de celălalt în concentrația unor substanțe.
Programul de comportament pentru toate celulele este inițial același, dar poate fi destul de complex și constă din mai multe seturi de reguli separate. Care dintre seturile de reguli pe care le va executa o anumită celulă depinde de semnalele primite de celulă. Fiecare „regulă” separată arată așa: „dacă sunt îndeplinite astfel de condiții și astfel de acțiuni, faceți o astfel de acțiune”. Principalele acțiuni pe care le fac celulele sunt să activeze sau dezactiveze anumite gene. Activarea sau oprirea genei modifică proprietățile celulei și începe să se comporte diferit, să reacționeze diferit la semnale.
Video promotional:
Cum se face că celulele care au același program de comportament și se pare că sunt în aceleași condiții încă se comportă diferit? Cert este că celulele embrionului sunt de fapt în diferite condiții - se întâmplă doar de la sine în procesul diviziunii celulare. Cineva s-a dovedit a fi înăuntru, cineva afară, cineva de dedesubt, cineva deasupra, în cineva concentrația de substanță A este mare (deoarece această celulă a fost formată din acea parte a celulei de ou, unde se găsea multă substanță) și în care -substanța A este mică.
Celulele pot avea, de asemenea, un „contor de divizare” care le spune de câte ori s-a divizat deja oul. Acest contor este, de asemenea, chimic: inițial au existat anumite substanțe în ou, a căror furnizare nu este reumplută în timpul dezvoltării embrionului și prin câte dintre aceste substanțe au rămas în celulă, se poate înțelege câte diviziuni au trecut de la începutul dezvoltării.
Programul de comportare a celulelor poate conține, de exemplu, următoarele comenzi:
„Dacă sunteți afară, și dacă concentrația de substanță A din tine este așa și așa (este în astfel de limite și astfel de limite), și dacă concentrația de substanță B din jurul tău este zero, și dacă 10 divizii au trecut de la începutul dezvoltării, apoi începe să excrete substanța B."
La ce va duce executarea unei astfel de comenzi? Va duce la faptul că la un anumit moment (după zece diviziuni) o singură celulă apare pe suprafața embrionului, secretând substanța B. Acesta va fi situat la o distanță strict definită de unul dintre poli ai embrionului, deoarece în exemplul nostru, substanța A a servit pentru inițial marcarea ovocitelor. În consecință, prin concentrația de substanță A, celula poate determina la ce distanță de polii embrionului este. De ce există o singură celulă care secretă substanța B? Dar pentru că a existat o instrucțiune: „Dacă concentrația de substanță B din jurul tău este zero”. De îndată ce prima celulă, în care sunt îndeplinite condițiile menționate, începe să elibereze substanța B, concentrația acestei substanțe va înceta să fie zero și, prin urmare, alte celule nu vor începe să o elibereze.
Și ce se întâmplă dacă eliminăm instrucțiunea „Dacă concentrația de substanță B din jurul tău este zero”? Apoi, substanța B va începe să fie eliberată nu de o singură celulă, ci de o întreagă fâșie de celule care înconjoară embrionul la o anumită distanță de poli. Lățimea centurii și poziția acesteia (mai aproape sau mai departe de polul în care concentrația A este maximă) va depinde de ce concentrații de substanță A sunt indicate în instrucțiunea „Dacă concentrația substanței A din tine este așa și așa”.
Acum embrionul nostru este marcat mult mai complicat și mai interesant decât înainte. El are o „parte din față” în care există o mulțime de A, iar concentrația B crește de la față la spate; are o centură centrală, unde concentrația de B este maximă; și are spatele, unde există puțin A și unde concentrația B scade din față înapoi. Embrionul nostru s-a împărțit în părți delimitate brusc una de cealaltă, în care celulele sunt în condiții diferite și, prin urmare, vor efectua subprograme diferite din programul lor inițial general.
Am împărțit embrionul în secțiuni anterioare, mijlocii și posterioare. Ele pot deveni, de exemplu, capul, torsul și coada. Dar aș dori să înțeleg și unde va fi spatele lui și unde este stomacul. Cum să o facă? Este foarte simplu, am trecut deja prin asta. Este necesară o instrucțiune care să conducă la apariția unei singure celule sau a unui grup mic de celule care secretă o anumită substanță (de exemplu, B) pe orice „parte” a embrionului, undeva la mijlocul dintre cap și coadă. Și lasă această substanță B să înceapă programul pentru creșterea unei frumoase creste dorsale verzi, unde există o mulțime de ele, și programul pentru formarea unei burtici moi roz, unde este rar.
Când embrionul este deja atât de bine și în detaliu „marcat”, fiecare grup de celule poate determina cu ușurință unde se află și să activeze subrutina pregătită pentru acest caz (un set de reguli de comportament).
În timpul dezvoltării embrionului, este adevărat că aici și acolo apar „centre de control” speciale - grupuri de celule care eliberează o substanță sau alta, care servește ca semnal pentru alte celule și afectează comportamentul acestora. Dar, în același timp, toate celulele se comportă încă în concordanță strictă cu programul genetic original, ceea ce este același pentru toți. Centrele de control apar de la sine, prin autoorganizare, nimeni nu le introduce în mod intenționat acolo. Și nu este necesară o „conducere centralizată unificată”, cu atât mai puțin semnificativă, rezonabilă.
În dezvoltarea animalelor reale, totul este mai complicat decât în exemplul nostru imaginar, dar, destul de ciudat, nu de mult. De exemplu, la majoritatea animalelor, aproximativ o duzină de substanțe de semnalizare sunt utilizate pentru „marcajul longitudinal” al embrionului (în exemplul nostru, am reușit să facem două - A și B). Un grup special de gene, așa-numitele gene Hawks, sunt responsabile pentru producerea acestor substanțe. Și pentru a separa embrionul în țesuturi (nervoase, musculare, epiteliale, etc.), se folosesc alte trei duzini de substanțe de semnalizare - se numesc microARN. Dar acestea sunt doar cele mai importante regulatoare ale dezvoltării și există încă multe auxiliare, iar oamenii de știință încă nu și-au dat seama de toate proprietățile și funcțiile lor.
Substanțele de semnalizare care guvernează comportamentul celulelor embrionului sunt foarte puternice. De exemplu, dacă tăiați coada unei linguri și aruncați una dintre aceste substanțe pe rană, atunci în loc de o coadă nouă, mormântul va crește o grămadă de picioare mici. Asemenea experimente crude au fost efectuate la începutul secolului XX. Apoi, geneticienii au ajuns la afaceri, care au învățat să schimbe munca genelor în anumite părți ale embrionului. Inclusiv acele gene care produc substanțe - regulatori de dezvoltare. Una dintre cele mai interesante descoperiri ale geneticienilor este că genele care controlează dezvoltarea sunt foarte similare la toate animalele. Ele pot fi chiar transplantate de la un animal la altul și vor funcționa. De exemplu, dacă luați o genă de șoarece care activează subrutina ochiului mouse-ului și o faceți să funcționeze în mugurele unei muște,apoi începe să se formeze un ochi pe piciorul muscă. Adevărat, nu ochi de șoarece, ci muste.
Așadar, ne-am dat seama că nu există un „model” al unui organism adult în genom, ci doar un program pentru comportamentul unei celule individuale. Organismul adult se „autoorganizează” datorită pur și simplu faptului că fiecare celulă urmărește strict același program de comportament. Matematicienii spun că ar fi mult mai dificil să codăm un model al unui animal adult din genom decât un astfel de program. În mod ciudat, acest program este mult mai simplu decât organismul rezultat. Și, de asemenea, dacă dezvoltarea noastră s-ar desfășura nu prin autoorganizare pe baza unui program, ci în conformitate cu un model, ar fi mult mai dificil pentru noi să evoluăm.
Cu o sută de ani în urmă, când oamenii de știință încă nu cunoșteau legile dezvoltării embrionilor, mult în evoluție li s-a părut de neînțeles. De exemplu, unii oameni de știință s-au întrebat cum, în procesul de evoluție, toate cele patru picioare se pot prelungi în același timp - până la urmă, pentru asta, au motivat, era necesar ca mutațiile să schimbe simultan lungimea tuturor celor patru picioare simultan! Într-adevăr, dacă un desen al unui organism adult ar fi fost înregistrat în genom, atunci ar trebui să fie făcute patru corecții la acest desen pentru a crește lungimea de patru picioare. Acum știm că dezvoltarea se desfășoară în conformitate cu un program în care este suficient să se facă o singură schimbare pentru lungimea tuturor celor patru membre și să se schimbe în același mod.
Alexandru Markov
