Tie, kas nav pazīstami ar bioloģiju, ģenētiku, interesējas par to, kā ķermeņa šūnas "saprot", ka dažiem vajadzētu kļūt matiem, citiem kauliem, citiem - smadzenēm utt.? Orgāni veidojas secīgi, daži turpina veidoties visu mūžu, kaut kā ir jādod komandas "sākt formēties" un "pabeigt veidošanos". Un, ja šīs komandas netiks izveidotas no viena centra, radīsies haoss.
Kur tad ir šis centrs?
Šis jautājums nepavisam nav bērnišķīgs. Faktiski tas nav viens, bet vairāki jautājumi, un tie skar visas vissvarīgākās problēmas, kuru risināšanu risina liela, ļoti sarežģīta un strauji augoša zinātnes - attīstības bioloģija. Uz šiem jautājumiem ir vienkārši neiespējami labi un detalizēti atbildēt dažos vārdos. Atbildes uz tām ir ietvertas lielās un biezās grāmatās un tūkstošiem zinātnisku rakstu. Daudz kas šajā zinātnē joprojām ir neskaidrs, un jauni atklājumi tiek veikti gandrīz katru dienu.
Bet dažus vispārīgus principus var mēģināt izskaidrot.
Sāksim ar “vienoto centru”, bez kura radīsies “haoss”. Pārsteidzoši, bet tas tā nav. Daudzas dalītājšūnas var izturēties saprātīgi un veidot sarežģītas struktūras, pat ja tām nav viena vadības centra. Šādus procesus sauc par "pašorganizāciju". Diemžēl cilvēka prāts ir tik strukturēts, ka viņam ir šausmīgi grūti saprast šādus procesus. Kad mēs sastopamies ar pašorganizācijas piemēriem, tas vienmēr mums šķiet kaut kāds neizskaidrojams brīnums. Piemēram, kā no nejauši kustīgām ūdens tvaika molekulām veidojas skaisti ledus raksti uz stikla vai sniegpārslām? Kur tiek glabāta "sniegpārsliņu programma" vai tās "projekts"? Nekur nav zīmēšanas, bet programma pastāv, tās ir ūdens molekulas fizikālās īpašības, no kurām atkarīgs ledus kristālu veidošanās.
Bet atpakaļ pie šūnu klucīša - sīkā embrija, kas no olšūnas izveidojās dažu pirmo dalījumu rezultātā. Katrā embrija šūnā ir tas pats genoms (gēnu komplekts). Genoms nosaka visas šūnas īpašības, tā ir tā "uzvedības programma". Programma visām embrija šūnām ir vienāda. Tomēr šūnas drīz sāk izturēties dažādi: daži pārvēršas par ādas šūnām, citi par zarnu šūnām utt. Tas ir saistīts ar faktu, ka šūnas apmainās ar informāciju - tās sūta viena otrai ķīmiskos signālus un maina savu izturēšanos atkarībā no tā, kādus signālus viņi saņēma no kaimiņiem. Signāli var būt arī fiziski: šūnas var "sajust" savus kaimiņus tur, kur viņi velk vai stumj. Turklāt daži signāli nāk no ārpasaules. Piemēram,embrionālās šūnas augos uztver smagumu un ņem to vērā, izlemjot, kā izturēties. Piemēram, tās šūnas, kurām ir kaimiņi tikai no augšas, sāk pārvērsties par sakni, bet tās, kurām kaimiņi ir tikai no apakšas, - par kātu. Visbeidzot, olšūnai no paša sākuma var būt vienkārša "marķēšana": viens no tā poliem var atšķirties no otra dažu vielu koncentrācijā.
Visu šūnu uzvedības programma sākotnēji ir vienāda, taču tā var būt diezgan sarežģīta un sastāv no vairākiem atsevišķiem noteikumu kopumiem. Kura no noteikumu kopām konkrēto šūnu izpildīs, ir atkarīga no signāliem, kurus saņem šūna. Katrs atsevišķais "noteikums" izskatās apmēram šādi: "ja tiek izpildīti šādi un tādi nosacījumi, rīkojieties šādi un šādi". Galvenās darbības, kuras šūnas veic, ir noteiktu gēnu ieslēgšana vai izslēgšana. Gēna ieslēgšana vai izslēgšana maina šūnas īpašības, un tā sāk rīkoties atšķirīgi, savādāk reaģēt uz signāliem.
Reklāmas video:
Kā tas ir, ka šūnas, kurām ir tāda pati uzvedības programma un kuras šķietami atrodas vienādos apstākļos, joprojām uzvedas atšķirīgi? Fakts ir tāds, ka embrija šūnas faktiski atrodas dažādos apstākļos - šūnu dalīšanas procesā tas pats par sevi notiek. Kāds izrādījās iekšā, kāds ārpusē, kāds zemāk, kāds virs, kādam vielas A koncentrācija ir augsta (jo šī šūna tika veidota no tās olšūnas daļas, kur bija daudz šīs vielas), un kurā - šī viela A ir maza.
Šūnām var būt arī “dalīšanas skaitītājs”, kas viņiem norāda, cik reizes olšūna jau ir sadalījusies. Šis skaitītājs ir arī ķīmisks: sākotnēji olšūnā bija noteiktas vielas, kuru piegāde embrija attīstības laikā netiek papildināta, un, cik no šīm vielām palika šūnā, var saprast, cik daudz dalījumu ir pagājis kopš attīstības sākuma.
Šūnu uzvedības programmā var būt, piemēram, šādas komandas:
“Ja esat ārpus mājas, un ja vielas A koncentrācija jūsos ir tāda un tāda (ir tādās un tādās robežās), un ja vielas B koncentrācija ap jums ir nulle, un ja kopš izstrādes sākuma ir pagājuši 10 dalījumi, tad sāk izdalīt vielu B."
Ko novedīs pie šādas komandas izpildes? Tas novedīs pie tā, ka noteiktā brīdī (pēc desmit dalīšanas) uz embrija virsmas parādās viena šūna, izdalot vielu B. Tā atradīsies stingri noteiktā attālumā no viena no embrija poliem, jo mūsu piemērā viela A sākotnēji kalpoja olšūnu marķēšana. Līdz ar to, koncentrējot vielu A, šūna var noteikt, cik tālu no embrija poliem tā atrodas. Kāpēc ir tikai viena šāda šūna, kas izdala vielu B? Bet tāpēc, ka bija norādījums: "Ja vielas B koncentrācija ap jums ir nulle." Tiklīdz pirmā šūna, kurā ir izpildīti norādītie nosacījumi, sāk izdalīt vielu B, šīs vielas koncentrācija pārstāj būt nulle, un tāpēc citas šūnas to nesāks atbrīvot.
Un kas notiek, ja mēs no programmas izņemsim norādījumu “Ja vielas B koncentrācija ap jums ir nulle”? Tad vielu B sāks izdalīt nevis viena šūna, bet gan vesela šūnu josla, kas noteiktā attālumā no poliem apņem embriju. Drošības jostas platums un tās novietojums (tuvāk vai tālāk no staba, kurā A koncentrācija ir maksimālā) būs atkarīgs no tā, kādas vielas A koncentrācijas ir norādītas instrukcijā "Ja vielas A koncentrācija jūsos ir tāda un tāda".
Tagad mūsu embrijs ir iezīmēts daudz sarežģītāk un interesantāks nekā iepriekš. Viņam ir "priekšējā daļa", kurā ir daudz A, un B koncentrācija palielinās no priekšpuses uz aizmuguri; tai ir centrālā josta, kurā B koncentrācija ir maksimāla; un tai ir aizmugure, kur ir maz A un kur B koncentrācija samazinās no priekšpuses uz aizmuguri. Mūsu embrijs ir sadalīts strauji norobežotās daļās, kurās šūnas atrodas dažādos apstākļos un tāpēc veiks atšķirīgas viņu sākotnējās vispārējās programmas apakšprogrammas.
Mēs esam sadalījuši embriju priekšējā, vidējā un aizmugurējā daļā. Tās var kļūt, piemēram, par galvu, rumpi un asti. Bet es arī gribētu saprast, kur būs viņa mugura un kur atrodas viņa vēders. Kā to izdarīt? Tas ir ļoti vienkārši, mēs to jau esam pārdomājuši. Nepieciešama instrukcija, kas noved pie tikai vienas šūnas vai nelielas šūnu grupas, kas izdala kādu vielu (piemēram, B) jebkurā embrija "pusē", kaut kur pa vidu starp galvu un asti. Un ļaujiet šai vielai B sākt programmu skaista zaļa muguras kores augšanai tur, kur to ir daudz, un programmu mīksta rozā vēdera veidošanai tur, kur to ir maz.
Kad embrijs jau ir tik labi un detalizēti "marķēts", katra šūnu grupa var viegli noteikt, kur tas atrodas, un aktivizēt šim gadījumam sagatavoto apakšprogrammu (uzvedības noteikumu kopums).
Embrija attīstības laikā ir taisnība, ka šeit un tur parādās īpaši "kontroles centri" - šūnu grupas, kas izdala vienu vai otru vielu, kas kalpo kā signāls citām šūnām un ietekmē viņu uzvedību. Bet tajā pašā laikā visas šūnas joprojām uzvedas, stingri ievērojot oriģinālo ģenētisko programmu, kas visām ir vienāda. Kontroles centri rodas paši, pašorganizējoties, neviens tos ar nodomu neievieš. Un tam nav nepieciešama “vienota centralizēta vadība”, nemaz nerunājot par jēgpilnu, saprātīgu.
Īstu dzīvnieku attīstībā viss ir daudz sarežģītāk nekā mūsu iedomātajā piemērā, bet, kas dīvainā kārtā, ne ar maz. Piemēram, lielākajā daļā dzīvnieku embrija "garenvirziena marķēšanai" tiek izmantots apmēram ducis signālvielu (mūsu piemērā mums izdevās izdarīt divas - A un B). Par šo vielu ražošanu ir atbildīga īpaša gēnu grupa, tā sauktie Hawks gēni. Un, lai embriju sadalītu audos (nervu, muskuļu, epitēlija utt.), Tiek izmantoti vēl trīs desmiti citu signālvielu - tos sauc par mikroRNS. Bet šie ir tikai vissvarīgākie attīstības regulatori, un joprojām ir daudz palīglīdzekļu, un zinātnieki vēl nav izdomājuši visas to īpašības un funkcijas.
Signālvielas, kas ietekmē embrija šūnu uzvedību, ir ļoti spēcīgas. Piemēram, ja jūs nogriezāt kurkuļa asti un nolaižat vienu no šīm vielām uz brūces, tad jaunas astes vietā kurkuļi audzēs mazu mazu ķekaru. Šādi nežēlīgi eksperimenti tika veikti 20. gadsimta sākumā. Tad ģenētiķi ķērās pie biznesa, kas iemācījās mainīt gēnu darbu atsevišķās embrija daļās. Ieskaitot tos gēnus, kas ražo vielas, - attīstības regulatorus. Viens no interesantākajiem ģenētiķu atklājumiem ir tas, ka gēni, kas kontrolē attīstību, ir ļoti līdzīgi visiem dzīvniekiem. Tos pat var pārstādīt no viena dzīvnieka pie otra, un viņi darbosies. Piemēram, ja ņem peles gēnu, kas ieslēdz peles acs apakšprogrammu un liek tai darboties mušas kājas pumpurā,tad uz mušas kājas sāk veidoties acs. Tiesa, nevis peles acs, bet gan muša.
Tātad, mēs sapratām, ka genomā nav pieauguša cilvēka organisma "projekta", bet tikai programma atsevišķas šūnas uzvedībai. Pieaugušo organisms "pats organizējas" vienkārši tāpēc, ka katra šūna stingri ievēro vienu un to pašu uzvedības programmu. Matemātiķi saka, ka būtu daudz grūtāk kodēt pieauguša dzīvnieka paraugu genomā nekā šādu programmu. Dīvainā kārtā šī programma ir daudz vienkāršāka nekā iegūtais organisms. Un arī tad, ja mūsu attīstība noritētu nevis caur pašorganizāciju, pamatojoties uz programmu, bet saskaņā ar projektu, mums būtu daudz grūtāk attīstīties.
Pirms simts gadiem, kad zinātnieki vēl nezināja embriju attīstības likumus, evolūcijā daudz kas viņiem šķita nesaprotams. Piemēram, daži zinātnieki domāja, kā evolūcijas procesā visas četras kājas var vienlaikus pagarināties - galu galā, lai viņi to sprieda, bija nepieciešams, lai mutācijas vienlaikus mainītu visu četru kāju garumu vienlaikus! Patiešām, ja genomā tiek reģistrēts pieauguša organisma zīmējums, tad šajā zīmējumā būs jāveic četras korekcijas, lai palielinātu četru kāju garumu. Tagad mēs zinām, ka attīstība notiek saskaņā ar programmu, kurā ir pietiekami veikt tikai vienu izmaiņu, lai mainītos visu četru ekstremitāšu garums, un mainās tāpat.
Aleksandrs Markovs