De, der ikke kender biologi, genetik, er interesseret i, hvordan cellerne i kroppen "forstår", at nogle skal blive hår, andre knogler, andre - hjerner osv.? Organer dannes i rækkefølge, nogle fortsætter med at dannes gennem hele livet, på en eller anden måde skal kommandoen "begynde at danne" og "afslutte formationen" gives. Og hvis disse hold ikke er dannet fra et enkelt center, vil der opstå kaos.
Hvor er dette centrum så?
Dette spørgsmål er slet ikke barnsligt. Faktisk er dette ikke et, men flere spørgsmål, og de berører alle de vigtigste problemer, hvis løsning behandles af en stor, meget kompleks og hurtigt udviklende videnskab - udviklingsbiologi. Det er simpelthen umuligt at besvare disse spørgsmål godt og detaljeret med nogle få ord. Svarene på dem findes i store og tykke bøger og tusinder af videnskabelige artikler. Meget i denne videnskab er stadig uklar, og nye opdagelser gøres næsten hver dag.
Men nogle generelle principper kan man prøve at forklare.
Lad os starte med det "single center", uden hvilket "kaos" vil opstå. Overraskende er dette ikke tilfældet. Mange opdelende celler kan opføre sig ganske intelligent og danne komplekse strukturer, selvom de ikke har et enkelt kontrolcenter. Sådanne processer kaldes "selvorganisation". Desværre er det menneskelige sind så struktureret, at det er meget vanskeligt for ham at forstå sådanne processer. Når vi støder på eksempler på selvorganisering, ser det os altid ud som et slags uforklarligt mirakel. Hvordan dannes for eksempel smukke ismønstre på glas eller snefnug fra tilfældigt bevægende vanddampmolekyler? Hvor er "snefnugprogrammet" eller dets "planlægning" gemt? Der er ingen tegning overalt, men programmet findes, det er de fysiske egenskaber ved vandmolekylet, som dannelsen af iskrystaller afhænger af.
Men tilbage til cellernes klump - det lille embryo, der dannede sig fra ægget som et resultat af de første par opdelinger. Hver celle i embryoet har det samme genom (sæt gener). Genomet bestemmer alle egenskaberne for en celle, dette er dets "adfærdsprogram". Programmet for alle celler i embryoet er det samme. Dog begynder celler snart at opføre sig på forskellige måder: nogle bliver til hudceller, andre til tarmceller osv. Dette skyldes, at celler udveksler information - de sender hinanden kemiske signaler og ændrer deres opførsel afhængigt af hvilke signaler de har modtaget fra deres naboer. Signaler kan også være fysiske: celler kan "føle" deres naboer, hvor de trækker eller skubber. Derudover kommer nogle signaler fra omverdenen. For eksempel,embryonale celler i planter fornemmer tyngdekraften og tager den med i betragtning, når de beslutter, hvordan de skal opføre sig. For eksempel begynder de celler, der kun har naboer fra toppen, at blive en rod, og dem med naboer kun fra bunden - til en stilk. Endelig kan æggene have en simpel "markering" helt fra begyndelsen: Den ene af dens poler kan afvige fra den anden i koncentrationen af nogle stoffer.
Adfærdsprogrammet for alle celler er oprindeligt det samme, men det kan være ret kompliceret og bestå af flere separate regelsæt. Hvilke af regelsættene, en given celle vil udføre, afhænger af de signaler, som cellen modtager. Hver særskilte "regel" ser sådan ud: "hvis sådanne og sådanne betingelser er opfyldt, gør sådan og sådan en handling." De vigtigste handlinger, som celler udfører, er at slå visse gener til eller fra. At tænde eller slukke genet ændrer cellens egenskaber, og det begynder at opføre sig forskelligt og reagere forskelligt på signaler.
Salgsfremmende video:
Hvordan er det, at celler, der har det samme opførselsprogram og tilsyneladende er under de samme forhold, stadig opfører sig forskelligt? Faktum er, at embryoets celler faktisk er under forskellige forhold - det sker bare af sig selv i processen med celledeling. Det viste sig, at nogen var inde, nogen udenfor, nogen nedenfor, nogen på toppen, i nogen er koncentrationen af stof A høj (fordi denne celle blev dannet fra den del af æggecellen, hvor der var meget af dette stof), og i hvem - at stof A er lille.
Celler kan også have en "delingstæller", der fortæller dem, hvor mange gange æget allerede har delt sig. Denne tæller er også kemisk: oprindeligt var der visse stoffer i ægget, hvis forsyning ikke er genopfyldt under udviklingen af embryoet, og af hvor mange af disse stoffer der forblev i cellen, kan man forstå, hvor mange opdelinger der er gået siden udviklingen begyndte.
Celleopførselsprogrammet kan for eksempel indeholde følgende kommandoer:
“Hvis du er udenfor, og hvis koncentrationen af stof A i dig er sådan og sådan (er inden for sådanne og sådanne grænser), og hvis koncentrationen af stof B omkring dig er nul, og hvis 10 divisioner er gået siden udviklingen begyndte, start derefter med at udskille stof B."
Hvad vil udførelsen af en sådan kommando føre til? Det vil føre til det faktum, at der på et bestemt tidspunkt (efter ti opdelinger) vises en enkelt celle på overfladen af embryoet, der udskiller stof B. Det vil være placeret i en strengt defineret afstand fra en af embryonets poler, fordi i vores eksempel serverede stof A til det indledende oocytmærkning. Ved koncentration af stof A kan cellen derfor bestemme i hvilken afstand fra embryoets poler det er. Hvorfor er der kun en sådan celle, der udskiller stof B? Men fordi der var en instruktion: "Hvis koncentrationen af stof B omkring dig er nul." Så snart den første celle, hvor de angivne betingelser er opfyldt, begynder at frigive stof B, vil koncentrationen af dette stof ophøre med at være nul, og derfor vil andre celler ikke begynde at frigive det.
Og hvad sker der, hvis vi fjerner instruktionen "Hvis koncentrationen af stof B omkring dig er nul" fra programmet? Derefter vil stof B begynde at udskilles ikke af en enkelt celle, men af en hel stripe celler, der omslutter embryoet i en bestemt afstand fra polerne. Båndets bredde og dens position (tættere eller længere fra stangen, hvor koncentrationen af A er maksimal) afhænger af, hvilke koncentrationer af stof A der er angivet i instruktionen "Hvis koncentrationen af stof A i dig er sådan og sådan."
Nu er vores embryo markeret meget mere kompliceret og interessant end før. Han har en "forreste del", hvor der er meget A, og koncentrationen af B øges fra forreste til bagerste; det har et centralt bælte, hvor koncentrationen af B er maksimal; og det har en ryg, hvor der er lidt A, og hvor koncentrationen af B falder fra forreste til bagerste. Vores embryo har opdelt i skarpt afgrænsede dele, hvor cellerne er under forskellige forhold og derfor vil udføre forskellige underprogrammer i deres oprindelige generelle program.
Vi har opdelt embryoet i forreste, midterste og bageste sektion. De kan for eksempel blive hovedet, overkroppen og halen. Men jeg vil også gerne forstå, hvor hans ryg vil være, og hvor hans mave er. Hvordan gør man det? Det er meget enkelt, vi har allerede gennemgået dette. Der kræves en instruktion, der fører til, at der kun vises en celle eller en lille gruppe celler, der udskiller et stof (f.eks. B) på enhver "side" af embryoet, et sted i midten mellem hoved og hale. Og lad dette stof B starte programmet til vækst af en smuk grøn rygryg, hvor der er meget af det, og programmet til dannelse af en blød lyserød mave, hvor det er knap.
Når embryoet allerede er så godt og i detaljer "markeret", kan hver gruppe af celler let bestemme, hvor det er, og aktivere den subroutine, der er forberedt til dette tilfælde (et sæt regler for adfærd).
Under udviklingen af embryoet er det rigtigt, at her og der vises særlige "kontrolcentre" - grupper af celler, der frigiver et eller andet stof, som fungerer som et signal for andre celler og påvirker deres opførsel. Men på samme tid opfører sig alle celler stadig i nøje overensstemmelse med det originale genetiske program, hvilket er det samme for alle. Kontrolcentre opstår af sig selv, gennem selvorganisation, ingen indsætter dem med vilje der. Og der kræves ingen "samlet centraliseret ledelse", så meget mindre meningsfuld, fornuftig, til dette.
I udviklingen af virkelige dyr er alt mere kompliceret end i vores imaginære eksempel, men underligt nok ikke meget. I de fleste dyr bruges for eksempel omkring et dusin signalstoffer til "langsgående mærkning" af embryoet (i vores eksempel lykkedes det os at gøre to - A og B). En særlig gruppe af gener, de såkaldte Hawks-gener, er ansvarlig for produktionen af disse stoffer. Og for at separere embryoet i væv (nervøs, muskel, epitel osv.) Bruges yderligere tre dusin andre signalstoffer - de kaldes mikroRNA'er. Men dette er kun de vigtigste regulatorer for udvikling, og der er stadig mange hjælpestoffer, og forskere har endnu ikke fundet ud af alle deres egenskaber og funktioner.
Signaliseringsstofferne, der styrer opførslen af embryoets celler, er meget kraftige. For eksempel, hvis du afskærer halen på en rumpestumpe og slipper et af disse stoffer ned på såret, så i stedet for en ny hale, vil rumpestumpen vokse en masse små ben. Sådanne grusomme eksperimenter blev udført i begyndelsen af det 20. århundrede. Derefter kom genetikere ned til erhvervslivet, der lærte at ændre genens arbejde i individuelle dele af embryoet. Herunder de gener, der producerer stoffer - udviklingsregulatorer. En af de mest interessante opdagelser hos genetikere er, at generne, der kontrollerer udviklingen, er meget ens hos alle dyr. De kan endda blive transplanteret fra et dyr til et andet, og de vil arbejde. For eksempel, hvis du tager et musegen, der tænder for subroutinen af museøjet og får det til at arbejde i en fluebens knopp,så begynder et øje at dannes på fluebenet. Det er sandt, ikke et muses øje, men en flue.
Så vi indså, at der ikke er nogen "plan" af en voksen organisme i genomet, men kun et program til opførsel af en individuel celle. Den voksne organisme "selvorganiserer" simpelthen på grund af det faktum, at hver celle strengt følger det samme opførselsprogram. Matematikere siger, at det ville være meget vanskeligere at kode en plan for et voksent dyr i genomet end et sådant program. Dette program er mærkeligt nok i sig selv meget enklere end den resulterende organisme. Og også, hvis vores udvikling ikke skete gennem selvorganisation på grundlag af et program, men ifølge en plan, ville det være meget vanskeligere for os at udvikle sig.
For hundrede år siden, da forskere stadig ikke kendte lovgivningen om embryoudvikling, virkede meget i evolutionen dem uforståelig. F.eks. Spekulerede nogle videnskabsfolk på, hvordan alle fire ben i udviklingsprocessen kunne forlænges på samme tid - for alt dette, forklarede de, var det nødvendigt, at mutationer samtidigt ændrede længden på alle fire ben på én gang! Hvis der tegnes en tegning af en voksen organisme i genomet, ville det være nødvendigt at foretage fire rettelser til denne tegning for at øge længden på fire ben. Nu ved vi, at udviklingen fortsætter i henhold til et program, hvor det er tilstrækkeligt at kun foretage en ændring for at ændre længden af alle fire lemmer og ændre på samme måde.
Alexander Markov