Mereka yang tidak biasa dengan biologi, genetik berminat bagaimana sel-sel tubuh "memahami" bahawa ada yang harus menjadi rambut, yang lain tulang, yang lain - otak, dll? Organ dibentuk secara berurutan, ada yang terus terbentuk sepanjang hayat, entah bagaimana arahan "pembentukan awal" dan "pembentukan lengkap" mesti diberikan. Dan sekiranya pasukan ini tidak dibentuk dari satu pusat, kekacauan akan timbul.
Di manakah pusat ini?
Soalan ini sama sekali tidak kebudak-budakan. Ini sebenarnya bukan satu, tetapi beberapa soalan, dan mereka menyentuh semua masalah yang paling penting, yang penyelesaiannya ditangani oleh sains, biologi perkembangan yang besar, sangat kompleks dan berkembang pesat. Sangat mustahil untuk menjawab soalan-soalan ini dengan baik dan terperinci dalam beberapa perkataan. Jawapannya terdapat dalam buku besar dan tebal dan beribu-ribu artikel ilmiah. Banyak dalam sains ini masih belum jelas, dan penemuan baru dibuat hampir setiap hari.
Tetapi beberapa prinsip umum boleh cuba dijelaskan.
Mari kita mulakan dengan "pusat tunggal", tanpanya "kekacauan" akan timbul. Anehnya, ini tidak berlaku. Banyak sel pemisah dapat bertindak dengan cerdas dan membentuk struktur yang kompleks, walaupun mereka tidak mempunyai pusat kawalan tunggal. Proses sedemikian disebut "organisasi diri". Malangnya, akal manusia sangat tersusun sehingga sangat sukar baginya untuk memahami proses-proses tersebut. Apabila kita menjumpai contoh-contoh organisasi diri, selalu nampak kepada kita semacam keajaiban yang tidak dapat dijelaskan. Sebagai contoh, bagaimana corak ais yang indah pada kaca atau kepingan salji terbentuk dari molekul wap air yang bergerak secara rawak? Di manakah "program kepingan salji" atau "cetak biru" disimpan? Tidak ada gambar di mana-mana, tetapi programnya ada, ini adalah sifat fizikal molekul air, yang bergantung pada pembentukan kristal ais.
Tetapi kembali ke gumpalan sel - embrio kecil yang terbentuk dari telur sebagai hasil dari beberapa pembelahan pertama. Setiap sel di dalam embrio mempunyai genom yang sama (set gen). Genom menentukan semua sifat sel, ini adalah "program tingkah laku" nya. Program untuk semua sel embrio adalah sama. Walau bagaimanapun, sel-sel segera mula berperilaku dengan cara yang berbeza: ada yang berubah menjadi sel kulit, yang lain menjadi sel usus, dan sebagainya. Ini disebabkan oleh fakta bahawa sel bertukar maklumat - mereka saling menghantar isyarat kimia dan mengubah tingkah laku mereka bergantung pada isyarat apa yang mereka terima dari jiran mereka. Isyarat juga boleh bersifat fizikal: sel dapat "merasakan" tetangga mereka di mana mereka menarik atau mendorong. Di samping itu, beberapa isyarat datang dari dunia luar. Sebagai contoh,sel embrio pada tumbuhan merasakan graviti dan mempertimbangkannya semasa memutuskan cara berkelakuan. Sebagai contoh, sel-sel yang mempunyai jiran hanya dari atas mula berubah menjadi akar, dan sel-sel yang hanya berjiran dari bawah - menjadi batang. Akhirnya, ovum mungkin mempunyai "tanda" sederhana sejak awal: salah satu tiangnya mungkin berbeza dari yang lain dalam kepekatan beberapa bahan.
Program tingkah laku untuk semua sel pada awalnya sama, tetapi boleh menjadi agak kompleks dan terdiri daripada beberapa set peraturan yang berasingan. Mana satu set peraturan yang akan dilaksanakan sel tertentu bergantung pada isyarat yang diterima oleh sel tersebut. Setiap "peraturan" yang berasingan kelihatan seperti ini: "jika syarat dan ketentuan itu dipenuhi, lakukan tindakan seperti itu." Tindakan utama yang dilakukan sel adalah menghidupkan atau mematikan gen tertentu. Menghidupkan atau mematikan gen mengubah sifat sel, dan ia mula berkelakuan berbeza, untuk bertindak balas secara berbeza terhadap isyarat.
Video promosi:
Bagaimana sel yang mempunyai program tingkah laku yang sama dan kelihatan dalam keadaan yang sama masih berperilaku berbeza? Faktanya adalah bahawa sel-sel embrio sebenarnya berada dalam keadaan yang berbeza - ia hanya berlaku dengan sendirinya dalam proses pembelahan sel. Seseorang ternyata berada di dalam, seseorang di luar, seseorang di bawah, seseorang di atas, pada seseorang kepekatan zat A tinggi (kerana sel ini terbentuk dari bahagian sel telur di mana terdapat banyak bahan ini), dan di mana -bahan itu A kecil.
Sel mungkin juga mempunyai "pembilang pembelah" yang memberitahu mereka berapa kali telur sudah dibahagi. Kaunter ini juga bersifat kimia: pada mulanya terdapat zat-zat tertentu di dalam telur, yang bekalannya tidak diisi semula semasa perkembangan embrio, dan dengan seberapa banyak zat ini tetap ada di dalam sel, seseorang dapat memahami berapa banyak pembelahan yang telah dilalui sejak awal perkembangannya.
Program tingkah laku sel mungkin mengandungi, misalnya, perintah berikut:
"Sekiranya anda berada di luar, dan jika kepekatan bahan A di dalam anda ada dan sebegitu (berada dalam had dan had tersebut), dan jika kepekatan bahan B di sekitar anda adalah sifar, dan jika 10 bahagian telah berlalu sejak awal pembangunan, kemudian mula mengeluarkan zat B."
Apa yang akan menyebabkan pelaksanaan perintah sedemikian? Ini akan membawa kepada fakta bahawa pada saat tertentu (setelah sepuluh bahagian) satu sel muncul di permukaan embrio, mengeluarkan bahan B. Ia akan terletak pada jarak yang ditentukan dengan ketat dari salah satu tiang embrio, kerana dalam contoh kita, bahan A disajikan untuk permulaan penanda oosit. Oleh itu, dengan kepekatan zat A, sel dapat menentukan sejauh mana jarak dari kutub embrio itu. Mengapa hanya ada satu sel yang mengeluarkan bahan B? Tetapi kerana ada arahan: "Jika kepekatan bahan B di sekitar anda adalah sifar." Sebaik sahaja sel pertama di mana syarat yang dinyatakan dipenuhi mula melepaskan bahan B, kepekatan bahan ini akan berhenti menjadi sifar, dan oleh itu sel lain tidak akan mula melepaskannya.
Dan apa yang berlaku jika kita membuang arahan "Jika kepekatan bahan B di sekitar anda adalah sifar" dari program? Kemudian bahan B akan mula disembunyikan bukan oleh satu sel, tetapi oleh seluruh sel yang mengelilingi embrio pada jarak tertentu dari kutub. Lebar tali pinggang dan posisinya (lebih dekat atau lebih jauh dari tiang di mana kepekatan A maksimum) akan bergantung pada kepekatan bahan A yang ditunjukkan dalam arahan "Sekiranya kepekatan zat A di dalam anda adalah seperti itu."
Sekarang embrio kita ditandai jauh lebih rumit dan menarik daripada sebelumnya. Dia mempunyai "bahagian depan" di mana terdapat banyak A, dan kepekatan B meningkat dari depan ke belakang; ia mempunyai tali pusat, di mana kepekatan B maksimum; dan ia mempunyai punggung, di mana terdapat sedikit A dan di mana kepekatan B menurun dari depan ke belakang. Embrio kita telah dibahagikan kepada bahagian yang dipisahkan dengan tajam, di mana sel berada dalam keadaan yang berbeza dan oleh itu akan menjalankan subrutin yang berbeza dari program umum asalnya.
Kami telah membahagikan embrio ke bahagian anterior, tengah dan posterior. Mereka boleh menjadi, misalnya, kepala, batang badan dan ekor. Tetapi saya juga ingin memahami di mana punggungnya berada, dan di mana perutnya berada. Bagaimana hendak melakukannya? Ini sangat mudah, kita sudah melalui ini. Diperlukan arahan yang membawa kepada kemunculan hanya satu sel atau sekelompok kecil sel yang mengeluarkan beberapa zat (misalnya, B) di mana-mana "sisi" embrio, di suatu tempat di tengah antara kepala dan ekor. Dan biarkan bahan B ini memulakan program untuk pertumbuhan rabung punggung hijau yang indah di mana terdapat banyak, dan program untuk pembentukan perut merah jambu lembut di mana ia jarang.
Apabila embrio sudah cukup baik dan terperinci "ditandai", setiap kumpulan sel dapat dengan mudah menentukan di mana ia berada dan mengaktifkan subrutin yang disiapkan untuk kes ini (sekumpulan peraturan tingkah laku).
Semasa perkembangan embrio, memang benar bahawa di sana sini muncul "pusat kawalan" khas - kumpulan sel yang melepaskan satu atau bahan lain, yang berfungsi sebagai isyarat untuk sel lain dan mempengaruhi tingkah laku mereka. Tetapi pada masa yang sama, semua sel masih berperilaku ketat sesuai dengan program genetik asal, yang sama untuk semua orang. Pusat kawalan timbul dengan sendirinya, melalui organisasi diri, tidak ada yang sengaja memasukkannya ke sana. Dan tidak diperlukan "kepemimpinan terpusat yang terpadu", apalagi yang bermakna, masuk akal, untuk ini.
Dalam pengembangan haiwan sebenar, semuanya lebih rumit daripada contoh khayalan kita, tetapi, anehnya, tidak banyak. Sebagai contoh, di kebanyakan haiwan, kira-kira selusin bahan isyarat digunakan untuk "penanda membujur" embrio (dalam contoh kita, kita berjaya melakukan dua - A dan B). Sekumpulan gen khas, yang disebut gen Hawks, bertanggungjawab untuk penghasilan bahan ini. Dan untuk memisahkan embrio ke dalam tisu (saraf, otot, epitel, dan lain-lain), tiga lusin bahan isyarat lain digunakan - ia dipanggil mikroRNA. Tetapi ini hanya pengatur pembangunan yang paling penting, dan masih ada banyak alat bantu tambahan, dan para saintis belum mengetahui semua sifat dan fungsinya.
Bahan isyarat yang mengawal tingkah laku sel-sel embrio sangat kuat. Sebagai contoh, jika anda memotong ekor berudu dan menjatuhkan salah satu bahan ini ke luka, maka bukannya ekor baru, berudu akan menumbuhkan sekumpulan kaki kecil. Eksperimen kejam seperti itu dilakukan pada awal abad ke-20. Kemudian ahli genetik mula berniaga, yang belajar mengubah gen dalam bahagian individu embrio. Termasuk gen yang menghasilkan bahan - pengatur pembangunan. Salah satu penemuan ahli genetik yang paling menarik ialah gen yang mengawal perkembangan sangat serupa pada semua haiwan. Mereka bahkan boleh dipindahkan dari satu haiwan ke haiwan lain dan mereka akan berjaya. Contohnya, jika anda mengambil gen tikus yang menghidupkan subrutin mata tetikus dan menjadikannya berfungsi di kaki kaki lalat,kemudian mata mula terbentuk di kaki lalat. Benar, bukan mata tikus, tetapi lalat.
Oleh itu, kami menyedari bahawa tidak ada "cetak biru" organisma dewasa dalam genom, melainkan hanya program untuk tingkah laku sel individu. Organisme dewasa "mengatur diri sendiri" hanya kerana fakta bahawa setiap sel mengikuti program tingkah laku yang sama. Ahli matematik mengatakan bahawa akan lebih sukar untuk membuat kod cetak biru haiwan dewasa dari genom daripada program seperti itu. Program ini, agak pelik, lebih mudah daripada organisma yang dihasilkan. Dan juga, jika pengembangan kita tidak berjalan melalui organisasi diri berdasarkan program, tetapi menurut cetak biru, akan lebih sukar bagi kita untuk berkembang.
Seratus tahun yang lalu, ketika para saintis masih tidak mengetahui undang-undang perkembangan embrio, banyak evolusi nampaknya tidak dapat difahami oleh mereka. Sebagai contoh, beberapa saintis tertanya-tanya bagaimana, dalam proses evolusi, keempat kaki boleh memanjang pada masa yang sama - bagaimanapun, untuk ini, mereka berpendapat, perlu bahawa mutasi secara bersamaan mengubah panjang keempat kaki sekaligus! Sesungguhnya, jika gambar organisma dewasa dicatat dalam genom, maka perlu dilakukan empat pembetulan pada gambar ini untuk meningkatkan panjang empat kaki. Sekarang kita tahu bahawa perkembangan berjalan sesuai dengan program di mana cukup untuk membuat satu perubahan untuk panjang keempat anggota badan untuk berubah, dan berubah dengan cara yang sama.
Alexander Markov
