Chi ha poca dimestichezza con la biologia, la genetica, è interessato a come le cellule del corpo "capiscono" che alcune dovrebbero diventare capelli, altre ossa, altre cervelli, ecc.? Gli organi si formano in sequenza, alcuni continuano a formarsi per tutta la vita, in qualche modo deve essere dato il comando "inizia la formazione" e "completa la formazione". E se queste squadre non sono formate da un unico centro, sorgerà il caos.
Dov'è allora questo centro?
Questa domanda non è affatto infantile. In realtà, questa non è una, ma diverse domande, e toccano tutti i problemi più importanti, la cui soluzione viene affrontata da una scienza ampia, molto complessa e in rapido sviluppo: la biologia dello sviluppo. È semplicemente impossibile rispondere bene e in dettaglio a queste domande in poche parole. Le risposte a loro sono contenute in libri grandi e spessi e migliaia di articoli scientifici. Molto in questa scienza non è ancora chiaro e nuove scoperte vengono fatte quasi ogni giorno.
Ma si possono tentare di spiegare alcuni principi generali.
Cominciamo dal "centro unico", senza il quale sorgerà il "caos". Sorprendentemente, non è così. Molte cellule in divisione possono comportarsi in modo abbastanza intelligente e formare strutture complesse, anche se non hanno un unico centro di controllo. Tali processi sono chiamati "auto-organizzazione". Sfortunatamente, la mente umana è così strutturata che è terribilmente difficile per lui comprendere tali processi. Quando ci imbattiamo in esempi di auto-organizzazione, ci sembra sempre una specie di miracolo inesplicabile. Ad esempio, come si formano bellissimi motivi di ghiaccio su vetro o fiocchi di neve da molecole di vapore acqueo in movimento casuale? Dove è memorizzato il "programma fiocco di neve" o il suo "progetto"? Non c'è disegno da nessuna parte, ma il programma esiste, queste sono le proprietà fisiche della molecola d'acqua, da cui dipende la formazione dei cristalli di ghiaccio.
Ma torniamo al gruppo di cellule: il minuscolo embrione che si è formato dall'uovo a seguito delle prime divisioni. Ogni cellula dell'embrione ha lo stesso genoma (insieme di geni). Il genoma determina tutte le proprietà di una cellula, questo è il suo "programma di comportamento". Il programma per tutte le cellule dell'embrione è lo stesso. Tuttavia, le cellule iniziano presto a comportarsi in modi diversi: alcune si trasformano in cellule della pelle, altre in cellule intestinali e così via. Ciò è dovuto al fatto che le cellule si scambiano informazioni: si inviano a vicenda segnali chimici e cambiano il loro comportamento a seconda dei segnali ricevuti dai loro vicini. I segnali possono anche essere fisici: le cellule possono "sentire" i loro vicini dove stanno tirando o spingendo. Inoltre, alcuni segnali provengono dal mondo esterno. Per esempio,le cellule embrionali nelle piante percepiscono la gravità e ne tengono conto quando decidono come comportarsi. Ad esempio, quelle cellule che hanno vicini solo dall'alto iniziano a trasformarsi in una radice e quelle con vicini solo dal basso - in uno stelo. Infine, l'ovulo può avere fin dall'inizio una semplice "marcatura": uno dei suoi poli può differire dall'altro per la concentrazione di alcune sostanze.
Il programma di comportamento per tutte le celle è inizialmente lo stesso, ma può essere piuttosto complesso e consistere in diversi set di regole separati. Quale degli insiemi di regole verrà eseguita da una determinata cella dipende dai segnali ricevuti dalla cella. Ogni "regola" separata ha un aspetto simile a questo: "se queste e quelle condizioni sono soddisfatte, fai questa o quella azione". Le azioni principali che le cellule compiono sono attivare o disattivare determinati geni. L'attivazione o la disattivazione del gene cambia le proprietà della cellula e inizia a comportarsi in modo diverso, a reagire in modo diverso ai segnali.
Video promozionale:
Come mai le cellule che hanno lo stesso programma di comportamento e apparentemente nelle stesse condizioni si comportano ancora in modo diverso? Il fatto è che le cellule dell'embrione si trovano in realtà in condizioni diverse - accade da solo nel processo di divisione cellulare. Qualcuno si è rivelato essere dentro, qualcuno fuori, qualcuno sotto, qualcuno sopra, in qualcuno la concentrazione di sostanza A è alta (perché questa cellula era formata da quella parte della cellula uovo dove c'era molta di questa sostanza), e in chi -quella sostanza A è piccola.
Le cellule possono anche avere un "contatore di divisione" che dice loro quante volte l'uovo si è già diviso. Anche questo contatore è chimico: inizialmente c'erano alcune sostanze nell'uovo, la cui fornitura non viene reintegrata durante lo sviluppo dell'embrione, e da quante di queste sostanze sono rimaste nella cellula, si può capire quante divisioni sono passate dall'inizio dello sviluppo.
Il programma di comportamento della cella può contenere, ad esempio, i seguenti comandi:
"Se sei fuori, e se la concentrazione della sostanza A in te è tale e tale (è entro questi e tali limiti), e se la concentrazione della sostanza B intorno a te è zero, e se sono passate 10 divisioni dall'inizio dello sviluppo, quindi inizia a espellere la sostanza B."
A cosa porterà l'esecuzione di un tale comando? Ciò porterà al fatto che ad un certo momento (dopo dieci divisioni) una singola cellula appare sulla superficie dell'embrione, secernendo sostanza B. Sarà situata a una distanza strettamente definita da uno dei poli dell'embrione, perché nel nostro esempio, la sostanza A serviva per l'iniziale marcatura degli ovociti. Di conseguenza, dalla concentrazione della sostanza A, la cellula può determinare a quale distanza si trova dai poli dell'embrione. Perché esiste solo una di queste cellule che secerne la sostanza B? Ma perché c'era un'istruzione: "Se la concentrazione della sostanza B intorno a te è zero". Non appena la prima cella in cui sono soddisfatte le condizioni dichiarate inizia a rilasciare la sostanza B, la concentrazione di questa sostanza cesserà di essere zero e quindi le altre cellule non inizieranno a rilasciarla.
E cosa succede se rimuoviamo l'istruzione "Se la concentrazione della sostanza B intorno a te è zero" dal programma? Quindi la sostanza B inizierà a essere secreta non da una singola cellula, ma da un'intera striscia di cellule che circondano l'embrione ad una certa distanza dai poli. La larghezza della cintura e la sua posizione (più vicina o più lontana dal palo dove la concentrazione di A è massima) dipenderà da quali concentrazioni di sostanza A sono indicate nell'istruzione "Se la concentrazione della sostanza A in te è tale e tale".
Ora il nostro embrione è molto più complicato e interessante di prima. Ha una "parte anteriore" in cui c'è molto A, e la concentrazione di B cresce da davanti a dietro; ha una fascia centrale, dove la concentrazione di B è massima; e ha un dorso, dove c'è poco A e dove la concentrazione di B diminuisce da davanti a dietro. Il nostro embrione si è suddiviso in parti nettamente delimitate, in cui le cellule si trovano in condizioni diverse e quindi eseguiranno diverse subroutine del loro programma generale originale.
Abbiamo suddiviso l'embrione in sezioni anteriore, centrale e posteriore. Possono diventare, ad esempio, la testa, il busto e la coda. Ma vorrei anche capire dove sarà la sua schiena e dov'è il suo stomaco. Come farlo? È molto semplice, ci siamo già passati. È necessaria un'istruzione che porti alla comparsa di una sola cellula o di un piccolo gruppo di cellule che secernono una certa sostanza (ad esempio, B) su qualsiasi "lato" dell'embrione, da qualche parte nel mezzo tra la testa e la coda. E lascia che questa sostanza B avvii il programma per la crescita di una bella cresta dorsale verde dove ce n'è molto, e il programma per la formazione di una pancia rosa tenue dove è scarsa.
Quando l'embrione è già così bene e dettagliatamente "segnato", ogni gruppo di cellule può facilmente determinare dove si trova e attivare la subroutine preparata per questo caso (un insieme di regole di comportamento).
Durante lo sviluppo dell'embrione, è vero che qua e là compaiono speciali "centri di controllo" - gruppi di cellule che rilasciano l'una o l'altra sostanza, che funge da segnale per altre cellule e influenza il loro comportamento. Ma allo stesso tempo, tutte le cellule si comportano ancora in stretta conformità con il programma genetico originale, che è lo stesso per tutte. I centri di controllo nascono da soli, attraverso l'auto-organizzazione, nessuno li inserisce intenzionalmente lì. E per questo non è necessaria una "leadership centralizzata unificata", tanto meno significativa e ragionevole.
Nello sviluppo di animali reali, tutto è più complicato che nel nostro esempio immaginario, ma, stranamente, non di molto. Ad esempio, nella maggior parte degli animali, circa una dozzina di sostanze di segnalazione vengono utilizzate per la "marcatura longitudinale" dell'embrione (nel nostro esempio, siamo riusciti a fare due - A e B). Un gruppo speciale di geni, i cosiddetti geni Hawks, sono responsabili della produzione di queste sostanze. E per separare l'embrione nei tessuti (nervoso, muscolare, epiteliale, ecc.), Vengono utilizzate altre tre dozzine di altre sostanze di segnalazione: sono chiamate microRNA. Ma questi sono solo i regolatori più importanti dello sviluppo, e ce ne sono ancora molti ausiliari e gli scienziati non hanno ancora capito tutte le loro proprietà e funzioni.
Le sostanze di segnalazione che governano il comportamento delle cellule dell'embrione sono molto potenti. Ad esempio, se tagli la coda di un girino e lasci cadere una di queste sostanze sulla ferita, invece di una nuova coda, il girino crescerà un mucchio di piccole gambe. Tali esperimenti crudeli sono stati effettuati all'inizio del XX secolo. Poi i genetisti si sono messi al lavoro, che hanno imparato a cambiare il lavoro dei geni nelle singole parti dell'embrione. Compresi quei geni che producono sostanze - regolatori dello sviluppo. Una delle scoperte più interessanti dei genetisti è che i geni che controllano lo sviluppo sono molto simili in tutti gli animali. Possono anche essere trapiantati da un animale all'altro e funzioneranno. Ad esempio, se prendi un gene di topo che attiva la subroutine dell'occhio di topo e lo fai funzionare in una zampa di mosca,poi un occhio comincia a formarsi sulla zampa della mosca. È vero, non l'occhio di un topo, ma quello di una mosca.
Quindi, ci siamo resi conto che non esiste un "modello" di un organismo adulto nel genoma, ma solo un programma per il comportamento di una singola cellula. L'organismo adulto si "auto-organizza" semplicemente per il fatto che ogni cellula segue rigorosamente lo stesso programma di comportamento. I matematici dicono che sarebbe molto più difficile codificare un progetto di un animale adulto nel genoma rispetto a un programma del genere. Questo programma, stranamente, è di per sé molto più semplice dell'organismo risultante. Inoltre, se il nostro sviluppo procedesse non attraverso l'auto-organizzazione sulla base di un programma, ma secondo un progetto, sarebbe molto più difficile per noi evolverci.
Cento anni fa, quando gli scienziati ancora non conoscevano le leggi dello sviluppo dell'embrione, gran parte dell'evoluzione sembrava loro incomprensibile. Ad esempio, alcuni scienziati si sono chiesti come, nel processo di evoluzione, tutte e quattro le gambe potessero allungarsi contemporaneamente - dopotutto, per questo, hanno ragionato, era necessario che le mutazioni cambiassero simultaneamente la lunghezza di tutte e quattro le gambe contemporaneamente! Infatti, se nel genoma fosse registrato un disegno di un organismo adulto, sarebbe necessario apportare quattro correzioni a questo disegno per aumentare la lunghezza delle quattro zampe. Ora sappiamo che lo sviluppo procede secondo un programma in cui è sufficiente fare un solo cambio perché la lunghezza di tutti e quattro gli arti cambi, e cambi allo stesso modo.
Alexander Markov
