Degenen die niet bekend zijn met biologie, genetica zijn geïnteresseerd in hoe de cellen van het lichaam "begrijpen" dat sommige haren moeten worden, andere botten, andere hersens, enz.? Organen worden opeenvolgend gevormd, sommige blijven zich gedurende het hele leven vormen, op de een of andere manier moet het commando "start vorming" en "volledige vorming" worden gegeven. En als deze teams niet vanuit één centrum worden gevormd, ontstaat er chaos.
Waar is dit centrum dan?
Deze vraag is helemaal niet kinderachtig. In feite is dit niet één, maar meerdere vragen, en ze raken alle belangrijkste problemen, waarvan de oplossing wordt aangepakt door een grote, zeer complexe en zich snel ontwikkelende wetenschap - ontwikkelingsbiologie. Het is simpelweg onmogelijk om deze vragen in een paar woorden goed en gedetailleerd te beantwoorden. De antwoorden daarop staan in grote en dikke boeken en duizenden wetenschappelijke artikelen. Veel van deze wetenschap is nog onduidelijk en er worden bijna elke dag nieuwe ontdekkingen gedaan.
Maar sommige algemene principes kunnen worden geprobeerd uit te leggen.
Laten we beginnen met het "enkele centrum", zonder welke "chaos" zal ontstaan. Verrassend genoeg is dit niet het geval. Veel delende cellen kunnen zich behoorlijk intelligent gedragen en complexe structuren vormen, zelfs als ze geen enkel controlecentrum hebben. Dergelijke processen worden "zelforganisatie" genoemd. Helaas is de menselijke geest zo gestructureerd dat het vreselijk moeilijk voor hem is om dergelijke processen te begrijpen. Als we voorbeelden van zelforganisatie tegenkomen, lijkt het ons altijd een soort onverklaarbaar wonder. Hoe ontstaan bijvoorbeeld prachtige ijspatronen op glas of sneeuwvlokken uit willekeurig bewegende waterdampmoleculen? Waar wordt het "sneeuwvlokprogramma" of zijn "blauwdruk" opgeslagen? Er is nergens een tekening, maar het programma bestaat, dit zijn de fysische eigenschappen van het watermolecuul, waarvan de vorming van ijskristallen afhangt.
Maar terug naar de klomp cellen - het kleine embryo dat gevormd is uit het ei als gevolg van de eerste paar delingen. Elke cel in het embryo heeft hetzelfde genoom (set genen). Het genoom bepaalt alle eigenschappen van een cel, dit is zijn "gedragsprogramma". Het programma voor alle cellen van het embryo is hetzelfde. Cellen beginnen zich echter al snel op verschillende manieren te gedragen: sommige veranderen in huidcellen, andere in darmcellen, enzovoort. Dit komt door het feit dat cellen informatie uitwisselen - ze sturen elkaar chemische signalen en veranderen hun gedrag afhankelijk van de signalen die ze van hun buren ontvangen. Signalen kunnen ook fysiek zijn: cellen kunnen hun buren "voelen" waar ze aan trekken of duwen. Daarnaast komen sommige signalen van de buitenwereld. Bijvoorbeeld,embryonale cellen in planten voelen de zwaartekracht en houden er rekening mee wanneer ze beslissen hoe ze zich moeten gedragen. Die cellen die alleen buren hebben vanaf de bovenkant, beginnen bijvoorbeeld in een wortel te veranderen, en die met buren alleen vanaf de onderkant - in een stengel. Ten slotte kan de eicel vanaf het begin een eenvoudige "markering" hebben: een van de polen kan van de andere verschillen in de concentratie van sommige stoffen.
Het gedragsprogramma voor alle cellen is in eerste instantie hetzelfde, maar het kan behoorlijk complex zijn en bestaan uit verschillende afzonderlijke sets regels. Welke van de sets regels een bepaalde cel zal uitvoeren, hangt af van de signalen die door de cel worden ontvangen. Elke afzonderlijke "regel" ziet er ongeveer zo uit: "als aan die en die voorwaarden is voldaan, doe dan die en die actie." De belangrijkste acties die cellen doen, is bepaalde genen in- of uitschakelen. Door het gen aan of uit te zetten, veranderen de eigenschappen van de cel, en het begint zich anders te gedragen, anders te reageren op signalen.
Promotie video:
Hoe komt het dat cellen die hetzelfde gedragsprogramma hebben en zich schijnbaar in dezelfde omstandigheden bevinden, zich toch anders gedragen? Feit is dat de cellen van het embryo in feite in verschillende omstandigheden verkeren - het gebeurt gewoon vanzelf tijdens het celdelingsproces. Iemand bleek binnen te zijn, iemand buiten, iemand beneden, iemand boven, bij iemand is de concentratie van stof A hoog (omdat deze cel is gevormd uit dat deel van de eicel waar veel van deze stof zat), en bij wie -dat stof A klein is.
Cellen kunnen ook een "deelteller" hebben die hen vertelt hoe vaak het ei al is verdeeld. Deze teller is ook chemisch: aanvankelijk waren er bepaalde stoffen in het ei, waarvan de voorraad niet wordt aangevuld tijdens de ontwikkeling van het embryo, en door hoeveel van deze stoffen in de cel zijn achtergebleven, kan men begrijpen hoeveel delingen er zijn verstreken sinds het begin van de ontwikkeling.
Het celgedragsprogramma kan bijvoorbeeld de volgende opdrachten bevatten:
"Als je buiten bent, en als de concentratie van stof A in u zo en zo is (binnen die en die grenzen), en als de concentratie van stof B om je heen nul is, en als er 10 divisies zijn verstreken sinds het begin van de ontwikkeling, begin dan stof B uit te scheiden."
Waar zal de uitvoering van zo'n commando toe leiden? Het zal ertoe leiden dat op een bepaald moment (na tien delingen) een enkele cel op het oppervlak van het embryo verschijnt, die substantie B afscheidt. Het zal zich op een strikt gedefinieerde afstand van een van de polen van het embryo bevinden, omdat in ons voorbeeld substantie A diende voor de initiële oöcyt markering. Door de concentratie van stof A kan de cel dus bepalen op welke afstand het zich tot de polen van het embryo bevindt. Waarom is er maar één zo'n cel die stof B uitscheidt? Maar omdat er een instructie was: "Als de concentratie van stof B om je heen nul is." Zodra de eerste cel waarin aan de gestelde voorwaarden is voldaan stof B begint af te geven, zal de concentratie van deze stof op nul staan en zullen andere cellen het dus niet gaan afgeven.
En wat gebeurt er als we de instructie “Als de concentratie van stof B om je heen nul is” uit het programma verwijderen? Dan begint stof B niet door een enkele cel te worden uitgescheiden, maar door een hele strook cellen die het embryo op een bepaalde afstand van de polen omcirkelt. De breedte van de riem en zijn positie (dichter of verder van de paal waar de concentratie van A maximaal is) zal afhangen van welke concentraties van stof A worden aangegeven in de instructie "Als de concentratie van stof A in jou zo en zo is".
Nu is ons embryo veel ingewikkelder en interessanter dan voorheen. Hij heeft een "voorste deel" waarin veel A zit, en de concentratie van B neemt van voor naar achter toe; het heeft een centrale band, waar de concentratie van B maximaal is; en het heeft een achterkant, waar een kleine A is en waar de concentratie van B van voren naar achteren afneemt. Ons embryo is onderverdeeld in scherp afgebakende delen, waarin de cellen zich in verschillende omstandigheden bevinden en daarom verschillende subroutines van hun oorspronkelijke algemene programma zullen uitvoeren.
We hebben het embryo onderverdeeld in voorste, middelste en achterste secties. Ze kunnen bijvoorbeeld het hoofd, de romp en de staart worden. Maar ik zou ook graag willen weten waar zijn rug zal zijn en waar zijn maag is. Hoe je dat doet? Het is heel eenvoudig, we hebben dit al meegemaakt. Er is een instructie nodig die leidt tot het verschijnen van slechts één cel of een kleine groep cellen die een bepaalde stof (bijvoorbeeld B) afscheiden aan elke "kant" van het embryo, ergens in het midden tussen de kop en de staart. En laat deze stof B het programma starten voor de groei van een mooie groene rugrug waar veel van is, en het programma voor de vorming van een zachtroze buik waar het schaars is.
Als het embryo al zo goed en gedetailleerd "gemarkeerd" is, kan elke groep cellen gemakkelijk bepalen waar het is en de subroutine activeren die voor dit geval is voorbereid (een reeks gedragsregels).
Het is waar dat tijdens de ontwikkeling van het embryo hier en daar speciale 'controlecentra' verschijnen - groepen cellen die een of andere stof afgeven, die als signaal dient voor andere cellen en hun gedrag beïnvloedt. Maar tegelijkertijd gedragen alle cellen zich nog steeds in strikte overeenstemming met het oorspronkelijke genetische programma, dat voor iedereen hetzelfde is. Controlecentra ontstaan uit zichzelf, door zelforganisatie, niemand voegt ze daar opzettelijk in. En daarvoor is geen "verenigd gecentraliseerd leiderschap", laat staan zinvol, redelijk.
Bij de ontwikkeling van echte dieren is alles ingewikkelder dan in ons denkbeeldige voorbeeld, maar vreemd genoeg niet zozeer. Bij de meeste dieren worden bijvoorbeeld ongeveer een dozijn signaalstoffen gebruikt voor de "longitudinale markering" van het embryo (in ons voorbeeld zijn we erin geslaagd om er twee te doen - A en B). Een speciale groep genen, de zogenaamde Hawks-genen, is verantwoordelijk voor de aanmaak van deze stoffen. En om het embryo in weefsels te scheiden (zenuwstelsel, spierweefsel, epitheel, enz.), Worden nog eens drie dozijn andere signaalstoffen gebruikt - ze worden microRNA's genoemd. Maar dit zijn slechts de belangrijkste regulatoren van ontwikkeling, en er zijn nog veel aanvullende, en wetenschappers hebben nog niet al hun eigenschappen en functies ontdekt.
De signaalstoffen die het gedrag van de cellen van het embryo regelen, zijn erg krachtig. Als je bijvoorbeeld de staart van een kikkervisje afsnijdt en een van deze stoffen op de wond laat vallen, zal het kikkervisje in plaats van een nieuwe staart een aantal kleine pootjes laten groeien. Dergelijke wrede experimenten werden aan het begin van de 20e eeuw uitgevoerd. Toen gingen genetici aan de slag, die leerden het werk van genen in afzonderlijke delen van het embryo te veranderen. Inclusief die genen die stoffen produceren - ontwikkelingsregelaars. Een van de meest interessante ontdekkingen van genetici is dat de genen die de ontwikkeling regelen bij alle dieren erg op elkaar lijken. Ze kunnen zelfs van het ene dier naar het andere worden getransplanteerd en ze zullen werken. Als u bijvoorbeeld een muisgen neemt dat de subroutine van het muisoog inschakelt en het laat werken in de knop van een vliegenpoot,dan begint zich een oog te vormen op het been van de vlieg. Het is waar, geen muizenoog, maar een vlieg.
Dus realiseerden we ons dat er geen "blauwdruk" van een volwassen organisme in het genoom is, maar alleen een programma voor het gedrag van een individuele cel. Het volwassen organisme 'organiseert zichzelf' simpelweg vanwege het feit dat elke cel strikt hetzelfde gedragsprogramma volgt. Wiskundigen zeggen dat het veel moeilijker zou zijn om een blauwdruk van een volwassen dier in het genoom te coderen dan zo'n programma. Dit programma is, vreemd genoeg, zelf veel eenvoudiger dan het resulterende organisme. En ook, als onze ontwikkeling niet zou verlopen via zelforganisatie op basis van een programma, maar volgens een blauwdruk, zou het voor ons veel moeilijker zijn om te evolueren.
Honderd jaar geleden, toen wetenschappers de wetten van de embryonale ontwikkeling nog niet kenden, leek veel evolutie voor hen onbegrijpelijk. Sommige wetenschappers vroegen zich bijvoorbeeld af hoe tijdens het evolutieproces alle vier de poten tegelijkertijd konden worden verlengd - hiervoor redeneerden ze dat het noodzakelijk was dat mutaties tegelijkertijd de lengte van alle vier de poten in één keer veranderen! Als er inderdaad een tekening van een volwassen organisme in het genoom zou zijn opgenomen, dan zouden er vier correcties op deze tekening moeten worden aangebracht om de lengte van vier poten te vergroten. Nu weten we dat de ontwikkeling verloopt volgens een programma waarin het voldoende is om slechts één verandering aan te brengen om de lengte van alle vier de ledematen te veranderen, en op dezelfde manier te veranderen.
Alexander Markov
