Neid, kes pole bioloogia, geneetikaga kursis, huvitab, kuidas keharakud "mõistavad", et ühed peaksid saama juustest, teised luudeks, teised - ajudeks jne? Orgaanid moodustatakse järjestikku, osa moodustab kogu elu, kuidagi tuleb anda käsk "alusta formeerimist" ja "täielik moodustamine". Ja kui neid meeskondi ei moodustata ühest keskusest, tekib kaos.
Kus see keskus siis on?
See küsimus pole üldse lapsik. Tegelikult pole see üks, vaid mitu küsimust ja need puudutavad kõiki olulisemaid probleeme, mille lahendamisega tegeleb suur, väga keeruline ja kiiresti arenev teaduse - arengubioloogia. Neile küsimustele on lihtsalt võimatu mõne sõnaga hästi ja üksikasjalikult vastata. Neile antud vastused sisalduvad suurtes ja paksudes raamatutes ning tuhandetes teaduslikes artiklites. Suur osa sellest teadusest on endiselt ebaselge ja uusi avastusi tehakse peaaegu iga päev.
Kuid mõnda üldist põhimõtet saab proovida selgitada.
Alustame "ühtsest keskusest", ilma milleta tekib "kaos". Üllataval kombel pole see nii. Paljud jagavad lahtrid võivad käituda üsna arukalt ja moodustada keerukaid struktuure, isegi kui neil pole ühte juhtimiskeskust. Selliseid protsesse nimetatakse "iseorganiseerumiseks". Kahjuks on inimese mõistus nii üles ehitatud, et tal on kohutavalt raske selliseid protsesse mõista. Kui me puutume kokku iseorganiseerumisega, näib see meile alati mingi seletamatu ime. Näiteks kuidas moodustuvad juhuslikult liikuvatest veeauru molekulidest ilusad jäämustrid klaasidel või lumehelvestel? Kus hoitakse "lumehelveste programmi" või selle "eskiisi"? Kuskil joonistust pole, kuid programm on olemas, need on veemolekuli füüsikalised omadused, millest sõltub jääkristallide moodustumine.
Kuid tagasi rakukogumi juurde - pisike embrüo, mis moodustus munast paari esimese jagunemise tagajärjel. Embrüo igal rakul on sama genoom (geenikomplekt). Genoom määrab kõik raku omadused, see on selle "käitumisprogramm". Embrüo kõigi rakkude programm on sama. Kuid rakud hakkavad varsti erinevalt käituma: ühed muutuvad naharakkudeks, teised soolerakkudeks jne. See on tingitud asjaolust, et rakud vahetavad teavet - nad saadavad üksteisele keemilisi signaale ja muudavad oma käitumist sõltuvalt sellest, milliseid signaale nad naabrite käest said. Signaalid võivad olla ka füüsilised: rakud võivad "tunda" oma naabreid seal, kus nad tõmbavad või suruvad. Lisaks tulevad mõned signaalid välismaailmast. Näiteks,embrüonaalsed rakud taimedes tajuvad gravitatsiooni ja arvestavad sellega käitumise üle otsustamisel. Näiteks need rakud, millel on naabrid ainult ülalt, hakkavad muutuma juureks ja need, kus naabrid on ainult alt - varreks. Lõpuks võib munarakul olla algusest peale lihtne "märgistus": selle üks poolus võib mõne aine kontsentratsiooni poolest teisest erineda.
Kõigi lahtrite käitumisprogramm on algselt sama, kuid see võib olla üsna keeruline ja koosneda mitmest eraldi reeglistikust. Millist reeglistikku antud lahter täidab, sõltub lahtri vastuvõetud signaalidest. Iga eraldi "reegel" näeb välja umbes selline: "Kui sellised ja sellised tingimused on täidetud, siis tehke sellist ja sellist toimingut." Peamised toimingud, mida rakud teevad, on teatud geenide sisse või välja lülitamine. Geeni sisse- või väljalülitamine muudab raku omadusi ja see hakkab käituma erinevalt, reageerima signaalidele erinevalt.
Reklaamvideo:
Kuidas on nii, et rakud, millel on sama käitumisprogramm ja näiliselt samades tingimustes, käituvad ikkagi erinevalt? Fakt on see, et embrüo rakud on tegelikult erinevates tingimustes - see toimub lihtsalt iseenesest rakkude jagunemise protsessis. Keegi osutus sees, keegi väljast, keegi alt, keegi ülevalt, kellelgi on aine A kontsentratsioon kõrge (kuna see rakk moodustus munaraku sellest osast, kus seda ainet oli palju), ja kelle sees - see aine A on väike.
Rakkudel võib olla ka "jaotusloendur", mis ütleb neile, mitu korda muna on juba jagunenud. See loendur on ka keemiline: algselt olid munas teatud ained, mille varusid embrüo arengu ajal ei täiendata ja kui palju neid aineid rakusse jäi, saab aru, mitu jagunemist on arengu algusest möödunud.
Lahtrikäitumisprogramm võib sisaldada näiteks järgmisi käske:
“Kui olete väljas, ja kui aine A kontsentratsioon teie sees on selline ja selline (on sellistes ja sellistes piirides), ja kui aine B kontsentratsioon teie ümber on null, ja kui arenduse algusest on möödunud kümme jaotust, siis hakkavad eritama ainet B."
Mida sellise käsu täitmine viib? See viib selleni, et teatud hetkel (pärast kümmet jaotust) ilmub embrüo pinnale üks lahter, mis sekreteerib ainet B. See asub rangelt määratletud kaugusel embrüo ühest poolusest, kuna meie näites oli aine A esialgselt kasutatav. munaraku märgistamine. Järelikult saab raku aine A kontsentratsiooni abil kindlaks teha, millisel kaugusel embrüo poolustest see asub. Miks on ainult üks selline lahter, mis sekreteerib ainet B? Aga kuna seal oli juhend: "Kui aine B kontsentratsioon teie ümber on null". Niipea kui esimene lahter, milles nimetatud tingimused on täidetud, hakkab eraldama ainet B, lakkab selle aine kontsentratsioon nullist ja seetõttu ei hakka teised rakud seda eraldama.
Ja mis juhtub, kui eemaldame programmist juhise „Kui aine B kontsentratsioon teie ümber on null”? Siis hakkab ainet B eritama mitte üksik rakk, vaid terve rakumariba, mis ümbritseb embrüot teatud kaugusel postidest. Turvavöö laius ja selle asukoht (poolusest lähemal või kaugemal, kus A kontsentratsioon on maksimaalne) sõltub sellest, millised aine A kontsentratsioonid on toodud juhendis "Kui aine A kontsentratsioon teie sees on selline ja selline".
Nüüd on meie embrüo märgistatud senisest palju keerukamaks ja huvitavamaks. Tal on "esiosa", milles on palju A-d, ja B kontsentratsioon suureneb eest taha; sellel on keskne vöö, kus B kontsentratsioon on maksimaalne; ja sel on seljaosa, kus A on vähe ja B kontsentratsioon väheneb eest taha. Meie embrüo on jaotatud järsult piiritletud osadeks, milles rakud on erinevates tingimustes ja teostavad seetõttu oma algse üldprogrammi erinevaid alamprogramme.
Embrüo on jaotatud esi-, kesk- ja tagumisse ossa. Need võivad muutuda näiteks pea-, torso- ja sabaosaks. Kuid tahaksin ka aru saada, kus ta selg asub ja kus on tema kõht. Kuidas seda teha? See on väga lihtne, oleme selle juba läbi elanud. Vajalik on juhend, mis põhjustab embrüo mis tahes "küljel", kuskil pea ja saba vahel, ainult ühte rakku või väikest rakugruppi, mis sekreteerib mõnda ainet (näiteks B). Ja las see aine B käivitab programmi kauni rohelise seljaharja kasvamiseks seal, kus seda on palju, ja programmi pehme roosa kõhu moodustamiseks seal, kus seda napib.
Kui embrüo on juba nii hästi ja detailselt "tähistatud", saab iga rakurühm hõlpsalt kindlaks teha, kus see asub, ja aktiveerida selleks puhuks ettevalmistatud alamprogramm (käitumisreeglite komplekt).
Embrüo arendamise ajal on tõsi, et siin ja seal ilmuvad spetsiaalsed "juhtimiskeskused" - rakurühmad, mis vabastavad ühe või teise aine, mis toimib signaalina teistele rakkudele ja mõjutab nende käitumist. Kuid samal ajal käituvad kõik rakud ikkagi rangelt kooskõlas algse geneetilise programmiga, mis on kõigile sama. Juhtimiskeskused tekivad iseenesest, iseorganiseerumise kaudu, keegi neid sinna tahtlikult ei sisesta. Ja selleks pole vaja "ühtset tsentraliseeritud juhtimist", rääkimata sisulisest, mõistlikust.
Päris loomade arendamisel on kõik keerulisem kui meie ettekujutatud näites, kuid kummalisel kombel mitte vähe. Näiteks kasutatakse enamiku loomade puhul embrüo "pikisuunaliseks märgistamiseks" umbes tosinat signalisatsiooni (meie näites saime teha kaks - A ja B). Nende ainete tootmise eest vastutab spetsiaalne geenide rühm, nn Hawksi geenid. Ja embrüo kudedesse (närvi-, lihas-, epiteeli jne) eraldamiseks kasutatakse veel kolm tosinat muud signaali edastavat ainet - neid nimetatakse mikroRNA-deks. Kuid need on ainult arengu kõige olulisemad regulaatorid ja abistajaid on veel palju ning teadlased pole nende kõiki omadusi ja funktsioone veel välja mõelnud.
Embrüo rakkude käitumist reguleerivad signaalained on väga võimsad. Näiteks kui katkestate rästase saba ja lükkate ühe neist ainetest haavale, kasvab uue saba asemel hunnik väikesi jalgu. Sellised julmad katsed viidi läbi 20. sajandi alguses. Seejärel asusid äritegevusele geneetikud, kes õppisid embrüo üksikute osade geenide tööd muutma. Sealhulgas need geenid, mis toodavad aineid - arenguregulaatorid. Üks geneetikute huvitavamaid avastusi on see, et arengut kontrollivad geenid on kõigil loomadel väga sarnased. Neid saab siirdada isegi ühelt loomalt teisele ja nad saavad hakkama. Näiteks kui võtate hiire geeni, mis lülitab sisse hiire silma alamprogrammi ja paneb selle toimima kärbseseene pungas,siis hakkab kärbesjalale tekkima silm. Tõsi, mitte hiire silm, vaid kärbes.
Niisiis, mõistsime, et genoomis puudub täiskasvanud organismi "plaan", vaid ainult üksikute rakkude käitumise programm. Täiskasvanud organism "ise organiseerub" lihtsalt seetõttu, et iga rakk järgib rangelt sama käitumisprogrammi. Matemaatikute sõnul oleks genoomis täiskasvanud looma kavandi kodeerimine palju keerulisem kui selline programm. Kummalisel kombel on see programm iseenesest palju lihtsam kui saadud organism. Ja ka siis, kui meie areng ei toimuks mitte iseenesliku korraldamise kaudu programmi alusel, vaid projekti järgi, oleks meil palju keerulisem areneda.
Sada aastat tagasi, kui teadlased veel ei teadnud embrüo arengu seadusi, tundus evolutsioonis suur osa neile arusaamatu. Näiteks imestasid mõned teadlased, kuidas evolutsiooniprotsessis võiksid kõik neli jalga üheaegselt pikeneda - lõppude lõpuks, nende põhjenduseks, oli vaja, et mutatsioonid muudaksid samaaegselt kõigi nelja jala pikkust korraga! Tõepoolest, kui genoomis registreeritaks täiskasvanud organismi joonis, oleks nelja jala pikkuse suurendamiseks vaja sellele joonisele teha neli parandust. Nüüd teame, et arendamine toimub vastavalt programmile, kus kõigi nelja jäseme pikkuse muutmiseks piisab vaid ühe muudatuse tegemisest ja samamoodi muutumisest.
Aleksander Markov
