Diejenigen, die mit Biologie und Genetik nicht vertraut sind, interessieren sich dafür, wie die Körperzellen "verstehen", dass einige Haare werden sollen, andere Knochen, andere - Gehirne usw.? Organe werden nacheinander gebildet, einige bilden sich während des gesamten Lebens weiter, irgendwie muss der Befehl „Formgebung beginnen“und „Bildung abschließen“gegeben werden. Und wenn diese Teams nicht aus einem einzigen Zentrum bestehen, entsteht Chaos.
Wo ist dieses Zentrum dann?
Diese Frage ist überhaupt nicht kindisch. Tatsächlich ist dies nicht eine, sondern mehrere Fragen, und sie berühren alle wichtigen Probleme, deren Lösung von einer großen, sehr komplexen und sich schnell entwickelnden Wissenschaft - der Entwicklungsbiologie - behandelt wird. Es ist einfach unmöglich, diese Fragen in wenigen Worten gut und detailliert zu beantworten. Die Antworten darauf sind in großen und dicken Büchern und Tausenden von wissenschaftlichen Artikeln enthalten. Vieles in dieser Wissenschaft ist noch unklar, und fast jeden Tag werden neue Entdeckungen gemacht.
Es kann jedoch versucht werden, einige allgemeine Prinzipien zu erklären.
Beginnen wir mit dem "Single Center", ohne das "Chaos" entstehen wird. Überraschenderweise ist dies nicht der Fall. Viele sich teilende Zellen können sich sehr intelligent verhalten und komplexe Strukturen bilden, auch wenn sie kein einziges Kontrollzentrum haben. Solche Prozesse nennt man "Selbstorganisation". Leider ist der menschliche Geist so strukturiert, dass es für ihn furchtbar schwierig ist, solche Prozesse zu verstehen. Wenn wir auf Beispiele für Selbstorganisation stoßen, scheint es uns immer eine Art unerklärliches Wunder zu sein. Wie entstehen zum Beispiel schöne Eismuster auf Glas oder Schneeflocken aus zufällig bewegten Wasserdampfmolekülen? Wo ist das "Schneeflockenprogramm" oder seine "Blaupause" gespeichert? Es gibt nirgendwo eine Zeichnung, aber das Programm existiert, dies sind die physikalischen Eigenschaften des Wassermoleküls, von denen die Bildung von Eiskristallen abhängt.
Aber zurück zum Zellklumpen - dem winzigen Embryo, der sich durch die ersten Teilungen aus dem Ei gebildet hat. Jede Zelle im Embryo hat das gleiche Genom (Satz von Genen). Das Genom bestimmt alle Eigenschaften einer Zelle, dies ist ihr "Verhaltensprogramm". Das Programm für alle Zellen des Embryos ist das gleiche. Zellen verhalten sich jedoch bald anders: Einige verwandeln sich in Hautzellen, andere in Darmzellen und so weiter. Dies liegt an der Tatsache, dass Zellen Informationen austauschen - sie senden sich gegenseitig chemische Signale und ändern ihr Verhalten abhängig davon, welche Signale sie von ihren Nachbarn empfangen haben. Signale können auch physisch sein: Zellen können ihre Nachbarn "fühlen", wo sie ziehen oder drücken. Außerdem kommen einige Signale von außen. Beispielsweise,Embryonale Zellen in Pflanzen spüren die Schwerkraft und berücksichtigen sie bei der Entscheidung, wie sie sich verhalten sollen. Zum Beispiel beginnen sich Zellen, die nur von oben Nachbarn haben, in eine Wurzel zu verwandeln, und solche mit Nachbarn nur von unten - in einen Stamm. Schließlich kann die Eizelle von Anfang an eine einfache "Markierung" aufweisen: Einer ihrer Pole kann sich in der Konzentration einiger Substanzen vom anderen unterscheiden.
Das Verhaltensprogramm für alle Zellen ist anfangs gleich, kann jedoch recht komplex sein und aus mehreren separaten Regelsätzen bestehen. Welcher der Regelsätze eine bestimmte Zelle ausführt, hängt von den von der Zelle empfangenen Signalen ab. Jede einzelne "Regel" sieht ungefähr so aus: "Wenn solche und solche Bedingungen erfüllt sind, führen Sie diese und jene Aktion aus." Die Hauptaktionen, die Zellen ausführen, sind das Ein- und Ausschalten bestimmter Gene. Das Ein- oder Ausschalten des Gens verändert die Eigenschaften der Zelle und beginnt sich anders zu verhalten und anders auf Signale zu reagieren.
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Wie kommt es, dass sich Zellen, die das gleiche Verhaltensprogramm haben und scheinbar unter den gleichen Bedingungen sind, immer noch unterschiedlich verhalten? Tatsache ist, dass sich die Zellen des Embryos tatsächlich unter verschiedenen Bedingungen befinden - dies geschieht einfach von selbst während des Prozesses der Zellteilung. Es stellte sich heraus, dass jemand drinnen war, jemand draußen, jemand unten, jemand oben, in jemandem ist die Konzentration von Substanz A hoch (weil diese Zelle aus dem Teil der Eizelle gebildet wurde, in dem sich viel von dieser Substanz befand) und in wem -diese Substanz A ist klein.
Zellen können auch einen "Teilungszähler" haben, der ihnen sagt, wie oft sich das Ei bereits geteilt hat. Dieser Zähler ist auch chemisch: Anfangs befanden sich bestimmte Substanzen im Ei, deren Versorgung während der Entwicklung des Embryos nicht wieder aufgefüllt wird, und anhand der Anzahl dieser Substanzen, die in der Zelle verblieben sind, kann man verstehen, wie viele Teilungen seit Beginn der Entwicklung vergangen sind.
Das Zellenverhaltensprogramm kann beispielsweise die folgenden Befehle enthalten:
„Wenn du draußen bist, und wenn die Konzentration von Substanz A in Ihnen so und so ist (innerhalb dieser und jener Grenzen liegt), und wenn die Konzentration von Substanz B um Sie herum Null ist, und wenn seit Beginn der Entwicklung 10 Abteilungen vergangen sind, dann beginne Substanz B auszuscheiden."
Wozu führt die Ausführung eines solchen Befehls? Dies führt dazu, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt (nach zehn Teilungen) eine einzelne Zelle auf der Oberfläche des Embryos erscheint und Substanz B absondert. Sie befindet sich in einem genau definierten Abstand von einem der Pole des Embryos, da in unserem Beispiel Substanz A für die Initiale diente Eizellenmarkierung. Folglich kann die Zelle durch die Konzentration von Substanz A bestimmen, in welchem Abstand sie von den Polen des Embryos ist. Warum gibt es nur eine solche Zelle, die Substanz B absondert? Aber weil es eine Anweisung gab: "Wenn die Konzentration von Substanz B um Sie herum Null ist." Sobald die erste Zelle, in der die angegebenen Bedingungen erfüllt sind, beginnt, Substanz B freizusetzen, hört die Konzentration dieser Substanz auf, Null zu sein, und daher beginnen andere Zellen nicht, sie freizusetzen.
Und was passiert, wenn wir die Anweisung „Wenn die Konzentration von Substanz B um Sie herum Null ist“aus dem Programm entfernen? Dann beginnt Substanz B nicht von einer einzelnen Zelle, sondern von einem ganzen Zellstreifen, der den Embryo in einem bestimmten Abstand von den Polen umgibt, sekretiert zu werden. Die Breite des Riemens und seine Position (näher oder weiter vom Pol entfernt, wo die Konzentration von A maximal ist) hängen davon ab, welche Konzentrationen von Substanz A in der Anweisung "Wenn die Konzentration von Substanz A in Ihnen so und so ist" angegeben sind.
Jetzt ist unser Embryo viel komplizierter und interessanter als zuvor. Er hat einen "vorderen Teil", in dem viel A vorhanden ist, und die Konzentration von B nimmt von vorne nach hinten zu; es hat einen zentralen Gürtel, in dem die Konzentration von B maximal ist; und es hat einen Rücken, wo es wenig A gibt und wo die Konzentration von B von vorne nach hinten abnimmt. Unser Embryo hat sich in scharf abgegrenzte Teile unterteilt, in denen sich die Zellen unter verschiedenen Bedingungen befinden und daher unterschiedliche Unterprogramme ihres ursprünglichen allgemeinen Programms ausführen.
Wir haben den Embryo in vordere, mittlere und hintere Abschnitte unterteilt. Sie können zum Beispiel Kopf, Rumpf und Schwanz werden. Aber ich würde auch gerne verstehen, wo sein Rücken sein wird und wo sein Magen ist. Wie kann man es machen? Es ist sehr einfach, wir haben dies bereits durchlaufen. Es ist eine Anweisung erforderlich, die dazu führt, dass nur eine Zelle oder eine kleine Gruppe von Zellen auf einer "Seite" des Embryos irgendwo in der Mitte zwischen Kopf und Schwanz eine Substanz (z. B. B) absondert. Und lassen Sie diese Substanz B das Programm für das Wachstum eines schönen grünen Rückenrückens starten, wo es viel davon gibt, und das Programm für die Bildung eines zarten rosa Bauches, wo es knapp ist.
Wenn der Embryo bereits so gut und detailliert "markiert" ist, kann jede Gruppe von Zellen leicht bestimmen, wo er sich befindet, und das für diesen Fall vorbereitete Unterprogramm aktivieren (eine Reihe von Verhaltensregeln).
Während der Entwicklung des Embryos treten zwar hier und da spezielle "Kontrollzentren" auf - Gruppen von Zellen, die die eine oder andere Substanz freisetzen, die als Signal für andere Zellen dient und deren Verhalten beeinflusst. Gleichzeitig verhalten sich alle Zellen immer noch streng nach dem ursprünglichen genetischen Programm, das für alle gleich ist. Kontrollzentren entstehen von selbst, durch Selbstorganisation, niemand fügt sie absichtlich dort ein. Und dafür ist keine "einheitliche zentralisierte Führung" erforderlich, geschweige denn eine sinnvolle, vernünftige.
Bei der Entwicklung realer Tiere ist alles komplizierter als in unserem imaginären Beispiel, aber seltsamerweise nicht viel. Zum Beispiel werden bei den meisten Tieren etwa ein Dutzend Signalsubstanzen für die "Längsmarkierung" des Embryos verwendet (in unserem Beispiel haben wir zwei geschafft - A und B). Eine spezielle Gruppe von Genen, die sogenannten Hawks-Gene, sind für die Produktion dieser Substanzen verantwortlich. Und um den Embryo in Gewebe (Nerven, Muskeln, Epithel usw.) zu trennen, werden weitere drei Dutzend andere Signalsubstanzen verwendet - sie werden als microRNAs bezeichnet. Dies sind jedoch nur die wichtigsten Regulatoren der Entwicklung, und es gibt immer noch viele Hilfsregulatoren, und Wissenschaftler haben noch nicht alle ihre Eigenschaften und Funktionen herausgefunden.
Die Signalsubstanzen, die das Verhalten der Zellen des Embryos steuern, sind sehr stark. Wenn Sie beispielsweise den Schwanz einer Kaulquappe abschneiden und eine dieser Substanzen auf die Wunde fallen lassen, wächst der Kaulquappe anstelle eines neuen Schwanzes ein paar kleine Beine. Solche grausamen Experimente wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts durchgeführt. Dann machten sich Genetiker an die Arbeit, die lernten, die Arbeit von Genen in einzelnen Teilen des Embryos zu verändern. Einschließlich der Gene, die Substanzen produzieren - Entwicklungsregulatoren. Eine der interessantesten Entdeckungen von Genetikern ist, dass die Gene, die die Entwicklung steuern, bei allen Tieren sehr ähnlich sind. Sie können sogar von einem Tier auf ein anderes transplantiert werden und funktionieren. Wenn Sie beispielsweise ein Mausgen nehmen, das die Unterroutine für das Mausauge aktiviert und in der Beinknospe einer Fliege funktioniert,dann beginnt sich ein Auge auf dem Bein der Fliege zu bilden. Es stimmt, nicht das Auge einer Maus, sondern das einer Fliege.
Wir haben also festgestellt, dass es im Genom keine "Blaupause" eines erwachsenen Organismus gibt, sondern nur ein Programm für das Verhalten einer einzelnen Zelle. Der erwachsene Organismus "organisiert" sich einfach aufgrund der Tatsache, dass jede Zelle genau dem gleichen Verhaltensprogramm folgt. Mathematiker sagen, dass es viel schwieriger wäre, eine Blaupause eines erwachsenen Tieres im Genom zu codieren als ein solches Programm. Seltsamerweise ist dieses Programm selbst viel einfacher als der resultierende Organismus. Und wenn unsere Entwicklung nicht durch Selbstorganisation auf der Grundlage eines Programms, sondern nach einer Blaupause erfolgen würde, wäre es für uns viel schwieriger, uns weiterzuentwickeln.
Vor hundert Jahren, als die Wissenschaftler die Gesetze der Embryonalentwicklung noch nicht kannten, schien ihnen vieles in der Evolution unverständlich. Zum Beispiel fragten sich einige Wissenschaftler, wie sich im Verlauf der Evolution alle vier Beine gleichzeitig verlängern könnten - schließlich war es aus diesem Grund notwendig, dass Mutationen gleichzeitig die Länge aller vier Beine gleichzeitig ändern! Wenn eine Zeichnung eines erwachsenen Organismus im Genom aufgezeichnet würde, müssten tatsächlich vier Korrekturen an dieser Zeichnung vorgenommen werden, um die Länge von vier Beinen zu erhöhen. Jetzt wissen wir, dass die Entwicklung nach einem Programm verläuft, bei dem es ausreicht, nur eine Änderung vorzunehmen, damit sich die Länge aller vier Gliedmaßen ändert, und zwar auf die gleiche Weise.
Alexander Markov
