Ti, kteří nejsou obeznámeni s biologií, genetika se zajímají o to, jak buňky těla „chápou“, že někteří by se měli stát vlasy, jiní kosti, jiní - mozky atd.? Orgány jsou vytvářeny postupně, některé se v průběhu života formují, nějak musí být vydán příkaz "start formace" a "kompletní formace". A pokud tyto týmy nebudou vytvořeny z jediného centra, dojde k chaosu.
Kde je tedy toto centrum?
Tato otázka není vůbec dětinská. Ve skutečnosti nejde o jednu, nýbrž o několik otázek, které se dotýkají všech nejdůležitějších problémů, jejichž řešení řeší velká, velmi složitá a rychle se rozvíjející biologie vědy a vývoje. Je jednoduše nemožné odpovědět na tyto otázky dobře a podrobně několika slovy. Odpovědi na ně jsou obsaženy ve velkých a hustých knihách a tisících vědeckých článků. Hodně v této vědě je stále nejasné a téměř každý den se objevují nové objevy.
Některé obecné principy však lze pokusit vysvětlit.
Začněme „jediným centrem“, bez něhož „chaos“vyvstane. Překvapivě to tak není. Mnoho dělících se buněk se může chovat docela inteligentně a vytvářet složité struktury, i když nemají jediné řídicí centrum. Tyto procesy se nazývají „samoorganizace“. Lidská mysl je bohužel tak strukturovaná, že je pro něj strašně obtížné takové procesy pochopit. Když narazíme na příklady sebeorganizace, vždy se nám zdá nějaký nevysvětlitelný zázrak. Jak se například vytvoří krásné ledové vzory na skle nebo sněhových vločkách z náhodně se pohybujících molekul vodní páry? Kde je uložen „program sněhové vločky“nebo jeho „plán“? Nikde není žádný výkres, ale program existuje, jedná se o fyzikální vlastnosti molekuly vody, na které závisí tvorba ledových krystalů.
Ale zpět ke shluku buněk - malému embryu, které se vytvořilo z vajíčka v důsledku několika prvních dělení. Každá buňka v embryu má stejný genom (soubor genů). Genom určuje všechny vlastnosti buňky, jedná se o „program chování“. Program pro všechny buňky embrya je stejný. Buňky se však brzy začnou chovat různými způsoby: některé se promění v kožní buňky, jiné na střevní buňky atd. Důvodem je skutečnost, že buňky si vyměňují informace - vysílají si navzájem chemické signály a mění své chování v závislosti na tom, jaké signály přijaly od svých sousedů. Signály mohou být také fyzické: buňky mohou „cítit“své sousedy tam, kde tahají nebo tlačí. Navíc některé signály přicházejí z vnějšího světa. Například,embryonální buňky v rostlinách vnímají gravitaci a berou ji v úvahu při rozhodování o tom, jak se chovat. Například ty buňky, které mají sousedy pouze shora, se začnou proměňovat v kořen a buňky se sousedy jen zdola - ve stonek. A konečně, vajíčko může mít jednoduché „značení“od samého začátku: jeden z jeho pólů se může od ostatních lišit v koncentraci některých látek.
Program chování pro všechny buňky je zpočátku stejný, ale může být docela složitý a sestávat z několika samostatných sad pravidel. Která ze sad pravidel bude daná buňka vykonávat, závisí na signálech přijatých buňkou. Každé samostatné "pravidlo" vypadá takto: "pokud jsou takové a takové podmínky splněny, udělejte takové a takové kroky." Hlavní akce, které buňky dělají, jsou zapnutí nebo vypnutí určitých genů. Zapnutí nebo vypnutí genu změní vlastnosti buňky a začne se chovat odlišně, reagovat odlišně na signály.
Propagační video:
Jak je možné, že buňky, které mají stejný program chování a jsou zdánlivě ve stejných podmínkách, se stále chovají odlišně? Faktem je, že buňky embrya jsou ve skutečnosti v různých podmínkách - to se děje samo o sobě v procesu dělení buněk. Ukázalo se, že někdo je uvnitř, někdo venku, někdo dole, někdo nahoře, u někoho je koncentrace látky A vysoká (protože tato buňka byla vytvořena z té části vaječné buňky, kde bylo mnoho této látky), a u koho - že látka A je malá.
Buňky mohou mít také „čítač dělení“, který jim řekne, kolikrát se vejce již rozdělilo. Tento čítač je také chemický: na počátku byly ve vejci určité látky, jejichž zásobování se během vývoje embrya nenaplňovalo, a podle toho, kolik z těchto látek zůstalo v buňce, lze pochopit, kolik divizí prošlo od počátku vývoje.
Program chování buněk může obsahovat například následující příkazy:
"Jestli jsi venku, a pokud je koncentrace látky A ve vás taková a taková (je v rámci takových a takových limitů), a pokud je koncentrace látky B kolem vás nulová, a pokud od začátku vývoje prošlo 10 divizí, pak začněte vylučovat látku B."
K čemu povede provedení takového příkazu? Vede to ke skutečnosti, že v určitém okamžiku (po deseti divizích) se na povrchu embrya objeví jedna buňka, vylučující látku B. Bude umístěna v přesně definované vzdálenosti od jednoho z pólů embrya, protože v našem příkladu látka A sloužila pro počáteční značení oocytů. V důsledku toho může koncentrace látky A určit, v jaké vzdálenosti od pólů embrya je buňka. Proč existuje pouze jedna taková buňka, která sekretuje látku B? Ale protože tu byla instrukce: „Pokud je koncentrace látky B kolem vás nulová.“Jakmile první buňka, ve které jsou splněny stanovené podmínky, začne uvolňovat látku B, koncentrace této látky přestane být nulová, a proto ji jiné buňky nezačnou uvolňovat.
A co se stane, pokud z programu odstraníme instrukci „Pokud je koncentrace látky B kolem vás nulová“? Pak se látka B začne uvolňovat ne jedinou buňkou, ale celým pásem buněk obklopujících embryo v určité vzdálenosti od pólů. Šířka pásu a jeho poloha (blíže nebo dále od pólu, kde je koncentrace A maximální) bude záviset na tom, jaké koncentrace látky A jsou uvedeny v pokynu „Pokud je koncentrace látky A ve vás taková a taková“. “
Nyní je naše embryo vyznačeno mnohem komplikovanější a zajímavější než dříve. Má „přední část“, ve které je spousta A a koncentrace B se zvyšuje zepředu dozadu; má centrální pás, kde je koncentrace B maximální; a má záda, kde je málo A a kde koncentrace B klesá zepředu dozadu. Naše embryo se rozdělilo na ostře ohraničené části, ve kterých jsou buňky v různých podmínkách, a proto budou provádět různé podprogramy svého původního obecného programu.
Rozdělili jsme embryo na přední, střední a zadní část. Mohou se stát například hlavou, trupem a ocasem. Chtěl bych také pochopit, kde bude jeho záda a kde je jeho žaludek. Jak to udělat? Je to velmi jednoduché, už jsme to prošli. Je nutná instrukce, která vede ke vzniku pouze jedné buňky nebo malé skupiny buněk vylučujících nějakou látku (například B) na jakékoli "straně" embrya, někde uprostřed mezi hlavou a ocasem. A nechte tuto látku B zahájit program růstu krásného zeleného hřbetního hřebene, kde je toho hodně, a program tvorby měkké růžové bříšky, kde je vzácný.
Když je embryo již tak dobře a podrobně „označeno“, každá skupina buněk může snadno určit, kde je, a aktivovat podprogram připravený pro tento případ (soubor pravidel chování).
Během vývoje embrya je pravda, že sem a tam se objevují speciální „kontrolní centra“- skupiny buněk, které uvolňují jednu nebo druhou látku, která slouží jako signál pro jiné buňky a ovlivňuje jejich chování. Zároveň se však všechny buňky chovají v přísném souladu s původním genetickým programem, který je stejný pro všechny. Řídící centra vznikají sama o sobě, prostřednictvím sebeorganizace, nikdo je tam záměrně nevkládá. K tomu není zapotřebí žádné „jednotné centralizované vedení“, natož smysluplné, přiměřené.
Ve vývoji skutečných zvířat je vše složitější než v našem imaginárním příkladu, ale kupodivu ne moc. Například u většiny zvířat se pro „podélné značení“embrya používá asi tucet signalizačních látek (v našem příkladu se nám podařilo provést dvě - A a B). Za výrobu těchto látek je zodpovědná zvláštní skupina genů, tzv. Hawksovy geny. A k rozdělení embrya na tkáně (nervové, svalové, epiteliální atd.) Se používají další tři tucty dalších signálních látek - nazývají se mikroRNA. Jsou to však pouze nejdůležitější regulátory vývoje a stále existuje mnoho pomocných regulátorů a vědci dosud nepřišli na všechny své vlastnosti a funkce.
Signalizační látky, které řídí chování buněk embrya, jsou velmi silné. Například, pokud odříznete ocas pulšáka a pustíte jednu z těchto látek na ránu, pak místo nového ocasu, pulšák vyroste banda malých nohou. Tyto kruté experimenty byly provedeny na začátku 20. století. Poté se genetici začali věnovat podnikání, kteří se naučili měnit práci genů v jednotlivých částech embrya. Včetně těch genů, které produkují látky - regulátory vývoje. Jedním z nejzajímavějších objevů genetiků je to, že geny, které řídí vývoj, jsou u všech zvířat velmi podobné. Mohou být dokonce přesazeni z jednoho zvířete na druhé a budou fungovat. Pokud například vezmete myší gen, který zapíná podprogram myší oko a způsobí, že bude fungovat v muščí noze,pak se na noze mouchy začne tvořit oko. Pravda, ne oko myši, ale moucha.
Uvědomili jsme si, že v genomu neexistuje „plán“dospělého organismu, nýbrž pouze program chování jednotlivých buněk. Dospělý organismus se „organizuje“jednoduše proto, že každá buňka přísně dodržuje stejný program chování. Matematici tvrdí, že by bylo mnohem obtížnější kódovat plán dospělého zvířete v genomu než takový program. Tento program, kupodivu, sám o sobě je mnohem jednodušší než výsledný organismus. A také, pokud by náš vývoj neprobíhal prostřednictvím samoorganizace na základě programu, ale podle plánu, bylo by pro nás mnohem obtížnější se vyvíjet.
Před sto lety, kdy vědci stále neznali zákony vývoje embryí, se jim zdálo, že hodně v evoluci jim bylo nepochopitelné. Například, někteří vědci se divili, jak se v procesu evoluce mohou všechny čtyři nohy prodlužovat najednou - přece jen proto, že to zdůvodnili, bylo nutné, aby mutace současně měnily délku všech čtyř nohou najednou! Pokud by byla v genomu zaznamenána kresba dospělého organismu, stačilo by to ke čtyřem opravám, aby se prodloužila délka čtyř noh. Nyní víme, že vývoj probíhá podle programu, ve kterém stačí změnit pouze jednu délku, aby se změnila délka všech čtyř končetin, a stejným způsobem se změní.
Alexander Markov