Akik még nem ismerik a biológiát, a genetikát, azt érdekli, hogy a test sejtjei "értik", hogy egyeseknek hajvá válniuk kell, másoknak csontok, másoknak az agyuk stb.? A szervek egymás után alakulnak ki, néhányuk az egész élet folyamán kialakul, valahogy a "formáció elindítása" és a "teljes formáció" parancsot kell adni. És ha ezeket a csapatokat nem egyetlen központból alakítják, akkor káosz alakul ki.
Akkor hol van ez a központ?
Ez a kérdés egyáltalán nem gyerekes. Valójában ez nem egy, hanem több kérdés, és érintik az összes legfontosabb problémát, amelyek megoldásával egy nagy, nagyon összetett és gyorsan fejlődő tudományos-fejlesztési biológia foglalkozik. Ezekre a kérdésekre egyszerűen lehetetlen jól és néhány szóval válaszolni. A válaszokat nagy és vastag könyvek, valamint több ezer tudományos cikk tartalmazza. A tudomány nagy része továbbra sem tisztázott, és szinte minden nap új felfedezéseket találnak.
Néhány általános alapelv megpróbálható megmagyarázni.
Kezdjük az "egyetlen központtal", amely nélkül "káosz" jöhet létre. Meglepő módon nem erről van szó. Sok osztó cella elég intelligensen viselkedhet és komplex struktúrákat képezhet, még akkor is, ha nincs egyetlen vezérlő központ. Az ilyen folyamatokat "önszerveződésnek" nevezzük. Sajnos az emberi elme annyira felépített, hogy rendkívül nehéz neki megérteni ezeket a folyamatokat. Amikor találkozunk az önszerveződés példáival, számunkra mindig valami megmagyarázhatatlan csodának tűnik nekünk. Például, hogyan alakulnak az üveg vagy hópelyhek gyönyörű jégmintái véletlenszerűen mozgó vízgőzmolekulákból? Hol tárolja a "hópehely program" vagy annak "terve"? Sehol nincs rajz, de a program létezik, ezek a vízmolekula fizikai tulajdonságai, amelyektől a jégkristályok kialakulása függ.
Visszatérve a sejtek tömegéhez - az apró embrió, amely a petesejtből az első néhány megosztás eredményeként képződött. Az embrió minden sejtje azonos genommal (génkészlettel) rendelkezik. A genom meghatározza a sejt összes tulajdonságát, ez a "viselkedési program". A program az embrió összes sejtjére azonos. A sejtek azonban hamarosan különféleképpen viselkednek: némelyek bőrsejtekké válnak, mások bélsejtekké válnak és így tovább. Ennek oka az a tény, hogy a sejtek információcserét folytatnak - kémiai jeleket küldnek egymásnak, és viselkedésüket megváltoztatják attól függően, hogy milyen jeleket kaptak a szomszédaktól. A jelek fizikai is lehetnek: a sejtek "érzik" a szomszédaikat ott, ahol húznak vagy tolnak. Ezen felül néhány jel a külvilágból érkezik. Például,A növényekben lévő embrionális sejtek érzékelik a gravitációt, és figyelembe veszik azt a viselkedésük eldöntésekor. Például azok a sejtek, amelyeknek csak felülről vannak szomszédai, gyökérré válnak, míg azok, amelyek csak a fentről szomszédosak, szárré válnak. Végül, a petesejt a kezdetektől kezdve egyszerű "jelöléssel" rendelkezik: egyik pólusa különbözhet a másiktól bizonyos anyagok koncentrációjában.
Az összes cella viselkedési programja kezdetben ugyanaz, de meglehetősen összetett és több különálló szabálykészletből állhat. Az adott cella melyik szabálykészletét fogja végrehajtani, a cellától vett jelektől függ. Minden különálló "szabály" így néz ki: "Ha teljesülnek az ilyen feltételek, akkor végezzen ilyen és ilyen akciót". A sejtek fő tevékenysége az, hogy bizonyos géneket be- vagy kikapcsolnak. A gén be- vagy kikapcsolása megváltoztatja a sejt tulajdonságait, és eltérően viselkedik, különféleképpen reagál a jelekre.
Promóciós videó:
Hogy lehet, hogy azok a cellák, amelyek ugyanazzal a viselkedési programmal rendelkeznek, és látszólag azonos körülmények között vannak, továbbra is eltérően viselkednek? A helyzet az, hogy az embrió sejtjei valójában különböző körülmények között vannak - ez csak önmagában történik a sejtosztódás folyamatában. Valaki kiderült benne, valaki kint, valaki alatt, valakinek a tetején, valakiben az A anyag koncentrációja magas (mert ez a sejt a tojássejt azon részéből alakult ki, ahol nagyon sok volt az anyag), és kiben - az A anyag kicsi.
A sejteknek lehet egy „osztási számlálója”, amely megmondja nekik, hogy a tojás hányszor osztott meg. Ez a számláló szintén kémiai jellegű: kezdetben voltak bizonyos anyagok a tojásban, amelyeknek az ellátása az embrió fejlődése során nem megújult, és ezeknek az anyagoknak hányan maradtak a sejtben, meg lehet érteni, hogy hány megoszlás ment keresztül a fejlődés kezdete óta.
A cella viselkedési program tartalmazhat például a következő parancsokat:
„Ha kint vagy, és ha az A anyag koncentrációja benned olyan és ilyen (ilyen és ezen határokon belül van), és ha a B anyag koncentrációja körülötted nulla, és ha 10 felosztás telt el a fejlesztés kezdete óta, majd elkezdi kiválasztani a B anyagot."
Mire vezet egy ilyen parancs végrehajtása? Ez ahhoz vezet, hogy egy bizonyos pillanatban (tíz megosztás után) egyetlen sejt jelenik meg az embrió felületén, a B anyagot szekretálva. Szigorúan meghatározott távolságra helyezkedik el az embrió egyik pólusától, mivel a példánkban az A anyag a kezdeti petesejtjelölés. Következésképpen az A anyag koncentrációja alapján a sejt meghatározhatja, hogy milyen távolságra van az embrió pólusaitól. Miért van csak egy ilyen sejt, amely kiválasztja a B anyagot? De mert volt egy utasítás: "Ha a B anyag koncentrációja körülötted nulla". Amint az első cella, amelyben a megadott feltételek teljesülnek, elkezdi felszabadítani a B anyagot, ennek az anyagnak a koncentrációja nulla lesz, ezért más sejtek nem kezdenek felszabadulni.
És mi történik, ha eltávolítjuk a „Ha a B anyag koncentrációja ön körül nullát” utasítást a programból? Ezután a B anyagot nem egyetlen sejt választja el, hanem egy egész sejtcsík, amely az embriót körülveszi egy bizonyos távolságra a pólusoktól. Az öv szélessége és elhelyezkedése (közelebb vagy távolabb a pólustól, ahol az A koncentrációja maximális) az attól függ, hogy az A anyag milyen koncentrációját jelzi az "Ha az A anyag koncentrációja önben ilyen és ilyen".
Az embriónk sokkal bonyolultabb és érdekesebb, mint korábban. Van egy "elülső része", amelyben nagyon sok A található, és B koncentrációja elölről hátulra növekszik; van egy központi övvel, ahol a B koncentrációja maximális; és van hátulja, ahol kevés A, és ahol B koncentrációja elölről és hátra csökken. Az embriókat élesen körülhatárolt részekre osztottuk, amelyekben a sejtek eltérő körülmények között vannak, ezért az eredeti általános program különböző alprogramjait fogják végrehajtani.
Az embriót elosztottuk elülső, középső és hátsó részre. Lehetnek például fej, törzs és farok. De azt is szeretném megérteni, hogy hol lesz a háta és hol van a gyomra. Hogyan kell csinálni? Nagyon egyszerű, ezt már át is láttuk. Olyan utasításra van szükség, amely csak egyetlen sejtnek vagy egy kis sejtcsoportnak a kiválasztására vezet, amely valamilyen anyagot (például B-t) választ ki az embrió bármelyik oldalán, a fej és a farok középső részén. És hagyja, hogy ez a B anyag indítsa el a gyönyörű zöld háti gerinc növekedésének programját, ahol nagyon sok van, és egy puha rózsaszín hasi kialakulási programot, ahol kevés.
Amikor az embrió már olyan jól és részletesebben "meg van jelölve", minden sejtcsoport könnyen meghatározhatja, hogy hol van, és aktiválhatja az erre az esetre készített alprogramot (viselkedési szabályok halmaza).
Az embrió fejlesztése során igaz, hogy itt-ott speciális "kontroll központok" jelennek meg - sejtcsoportok, amelyek egy vagy másik anyagot szabadítanak fel, amely jelként szolgál más sejtek számára és befolyásolják viselkedésüket. Ugyanakkor az összes sejt továbbra is szigorúan az eredeti genetikai programmal összhangban viselkedik, amely mindenki számára azonos. Az ellenőrzési központok önmagukban, önszerveződés útján jönnek létre, senki nem szándékozik beilleszteni őket. És ehhez nincs szükség „egységes központosított vezetésre”, nem is beszélve értelmes, ésszerűségről.
Az igazi állatok kifejlesztésében minden bonyolultabb, mint a mi képzeletbeli példánkban, de furcsamód, hogy nem sokat. Például a legtöbb állatban körülbelül egy tucat jelzőanyagot használnak az embrió "hosszanti jelölésére" (példánkban kettőt sikerült megtennünk - A és B). Ezen anyagok előállításáért egy speciális géncsoport, az úgynevezett Hawks-gén felelős. Az embrió szövetekre (ideges, izom, hámszövet stb.) Történő elválasztására további három tucat egyéb jelző anyagot használnak - ezeket mikroRNS-eknek nevezzük. De ezek csak a fejlődés legfontosabb szabályozói, és még mindig sok kiegészítő, és a tudósok még nem tudták kitalálni tulajdonságaikat és funkcióikat.
A jelző anyagok, amelyek szabályozzák az embrió sejtjeinek viselkedését, nagyon erősek. Például, ha levágja a botrány farkát, és ezen anyagok egyikét a sebre dobja, akkor egy új farok helyett a bukósisak növekszik egy csomó kis láb. Az ilyen kegyetlen kísérleteket a 20. század elején hajtották végre. Aztán a genetikusok elkezdték az üzletet, akik megtanultak megváltoztatni a gének működését az embrió egyes részein. Beleértve azokat a géneket, amelyek anyagokat termelnek - fejlesztési szabályozók. A genetikusok egyik legérdekesebb felfedezése az, hogy a fejlődést kontrolláló gének minden állatban nagyon hasonlóak. Még átültethetők egyik állatból a másikba, és működni fognak. Például, ha vesz egy egér gént, amely bekapcsolja az egér szemének szubrutinját, és működésbe hozza egy légy lábbimbójában,aztán szem alakul ki a légy lábán. Igaz, nem egy egérszem, hanem egy légy.
Tehát rájöttünk, hogy a genomban nincs felnőttkori szervezet "terve", csak egy program az egyes sejtek viselkedésére. A felnőtt szervezet "önszerveződik" egyszerűen azért, mert minden sejt szigorúan ugyanazt a viselkedési programot követi. A matematikusok szerint sokkal nehezebb egy genomban lévő felnőtt állat tervét kódolni, mint egy ilyen programot. Különös módon ez a program sokkal egyszerűbb, mint a kapott organizmus. És ha fejlesztésünk nem önszerveződésen alapul, hanem egy program alapján, hanem egy terv szerint, akkor sokkal nehezebb lenne fejlődni.
Száz évvel ezelőtt, amikor a tudósok még mindig nem ismerték az embriók fejlődésének törvényeit, az evolúció nagy része érthetetlennek tűnt számukra. Például egyes tudósok azon tűnődtek, hogy az evolúció során mind a négy láb miközben meghosszabbodhat egyszerre - elvégre, ehhez indokolták, hogy a mutációknak egyszerre kell megváltoztatniuk mind a négy láb hosszát! Valójában, ha felnőtt szervezet rajzát rögzítik a genomban, akkor négy javítást kell elvégezni ebben a rajzban a négy láb hosszának növelése érdekében. Most már tudjuk, hogy a fejlesztés egy olyan program szerint halad, amelyben elegendő, ha mindössze egy változtatást hajt végre, hogy mind a négy végtag hossza megváltozzon, és ugyanúgy változjon.
Alexander Markov