• РЕГИСТРАЦИЯ

Как клетки организма понимают, кем им стать?

4 1234

Те, кто мало знаком с биологией, генетикой интересуются, как клетки организма «понимают», что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? Органы образуются последовательно, некоторые продолжают формироваться на протяжении всей жизни, как-то должна подаваться команда «начать формирование» и «завершить формирование». И если эти команды будут формироваться не из единого центра — возникнет хаос.

А где тогда этот центр?

Этот вопрос — совсем не детский. Это на самом деле не один, а несколько вопросов, и они затрагивают все самые главные проблемы, решением которых занимается большая, очень сложная и быстро развивающаяся наука — биология развития. Хорошо и подробно ответить на эти вопросы в нескольких словах просто невозможно. Ответы на них содержатся в больших и толстых книгах и в тысячах научных статей. Многое в этой науке до сих пор остается неясным, и новые открытия совершаются чуть ли не каждый день.

Но некоторые общие принципы можно попытаться объяснить.

Начнем с «единого центра», без которого «возникнет хаос». Удивительно, но это не так. Множество делящихся клеток может вести себя вполне осмысленно и формировать сложные структуры, даже если у них нет единого управляющего центра. Такие процессы называют «самоорганизацией». К сожалению, человеческий разум так устроен, что ему ужасно трудно понять подобные процессы. Когда мы сталкиваемся с примерами самоорганизации, нам всегда это кажется каким-то необъяснимым чудом. Например, как из беспорядочно движущихся молекул водяного пара образуются красивые ледяные узоры на стекле или снежинки? Где хранится «программа создания снежинки» или ее «чертеж»? Чертежа нет нигде, а вот программа — существует, это те физические свойства молекулы воды, от которых зависит образование ледяных кристаллов.
Но вернемся к комочку клеток — крошечному зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном (набор генов). Геном определяет все свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако вскоре клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, и так далее. Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Сигналы могут быть и физическими: клетки могут «чувствовать» своих соседей, куда они ее тянут или толкают. Кроме того, кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Например, те клетки, у которых клетки-соседи есть только сверху, начинают превращаться в корень, а те, у которых соседи только снизу, — в стебель. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.

Программа поведения у всех клеток изначально одна и та же, но она может быть довольно сложной и состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из наборов правил данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное «правило» выглядит примерно так: «если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие». Основные действия, которые делают клетки, — это включение или выключение определенных генов. Включение или выключение гена меняет свойства клетки, и она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.

Как же получается, что клетки, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что клетки зародыша на самом деле находятся в разных условиях — это просто само собой так происходит в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества А высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества А мало.

Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества, запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.

Программа поведения клетки может содержать, например, такие команды:

«Если ты снаружи,
и если концентрация вещества А в тебе такая-то (находится в таких-то пределах),
и если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю,
и если с момента начала развития прошло уже 10 делений,
то начни выделять вещество Б».
К чему приведет выполнение такой команды? Оно приведет к тому, что на поверхности зародыша в определенный момент (после десяти делений) появится одна-единственная клетка, выделяющая вещество Б. Она будет расположена на строго определенном расстоянии от одного из полюсов зародыша, потому что в нашем примере вещество А служило для изначальной разметки яйцеклетки. Следовательно, по концентрации вещества А клетка может определить, на каком расстоянии от полюсов зародыша она находится. Почему такая клетка, выделяющая вещество Б, будет только одна? А потому, что была инструкция: «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю». Как только первая клетка, в которой выполнятся поставленные условия, начнет выделять вещество Б, концентрация этого вещества перестанет быть равна нулю, и поэтому другие клетки не начнут его выделять.

А что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю»? Тогда вещество Б начнет выделяться не одной-единственной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина пояска и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации вещества А указаны в инструкции «Если концентрация вещества А в тебе такая-то».

Теперь наш зародыш размечен уже гораздо сложнее и интереснее, чем раньше. У него есть «передняя часть», в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад; у него есть центральный поясок, где максимальна концентрация Б; и у него есть задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает спереди назад. Наш зародыш подразделился на резко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому будут выполнять разные подпрограммы своей исходной общей программы.

Мы подразделили зародыш на передний, средний и задний отделы. Они могут стать, например, головой, туловищем и хвостом. Но хотелось бы еще понять, где у него будет спина, а где живот. Как это сделать? А очень просто, мы уже это проходили. Нужна инструкция, приводящая к появлению только одной клетки или маленькой группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-нибудь посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу роста красивого зеленого спинного гребня там, где его много, и программу формирования мягкого розового животика там, где его мало.

Когда зародыш уже так хорошо и подробно «размечен», каждая группа клеток может без труда определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).

В ходе развития зародыша действительно то тут, то там появляются особые «управляющие центры» — группы клеток, выделяющие то или иное вещество, которое служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. Но при этом все клетки по-прежнему ведут себя в строгом соответствии с изначальной генетической программой, которая у всех одна и та же. Управляющие центры возникают сами, путем самоорганизации, никто их нарочно туда не вставляет. И никакого «единого централизованного руководства», тем более осмысленного, разумного, для этого не требуется.
В развитии настоящих животных всё сложнее, чем в нашем воображаемом примере, но, как ни странно, ненамного. Например, у большинства животных для «продольной разметки» зародыша используется около десятка сигнальных веществ (в нашем примере мы обошлись двумя — А и Б). За производство этих веществ отвечает особая группа генов — так называемые «хокс-гены». А для разделения зародыша на ткани (нервную, мышечную, эпителиальную и т. д.) используется еще три десятка других сигнальных веществ — они называются микроРНК. Но это — только самые главные регуляторы развития, а есть еще очень много вспомогательных, и ученые пока еще не выяснили все их свойства и функции.

Сигнальные вещества, управляющие поведением клеток зародыша, очень могущественны. Например, если отрезать головастику хвост и капнуть на рану одно из этих веществ, то вместо нового хвоста у головастика вырастет пучок маленьких ножек. Такие жестокие эксперименты проводились в начале XX века. Потом за дело взялись генетики, которые научились менять работу генов в отдельных частях зародыша. В том числе и тех генов, которые производят вещества — регуляторы развития. Одно из самых интересных открытий генетиков состоит в том, что гены, управляющие развитием, оказались очень похожими у всех животных. Их даже можно пересаживать от одного животного к другому, и они будут работать. Например, если взять мышиный ген, который включает подпрограмму образования глаза у мыши, и заставить его работать в зачатке ноги у мухи, то на мушиной ноге начинает формироваться глаз. Правда, не мышиный глаз, а мушиный.

Итак, мы поняли, что в геноме нет «чертежа» взрослого организма, а есть только программа поведения отдельной клетки. Взрослый организм «самоорганизуется» просто за счет того, что каждая клетка строго следует одной и той же программе поведения. Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж взрослого животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. А еще, если бы наше развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы гораздо труднее эволюционировать.

Лет сто назад, когда ученые еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось им непонятным. Например, некоторые ученые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно — ведь для этого, рассуждали они, нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж взрослого организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.

https://masterok.livejournal.c...

Учёный не политик, его не купишь

    Nur zum Geld. Немецкое (и не только) золото в США и киллеры-стахановцы

    Гудзонский вариант Сайт «Политико» пишет, что Германия хранит около 117 миллиардов евро золотых резервов в Федеральной резервной системе в Нью-Йорке, и некоторые немецкие ...

    Россия атаковала НАТО там, где не ждали

    В то время как наши штурмовики освобождали Гоголевку, а наши десантники водружали русский флаг на погранпереходе в Судже, в Брюсселе с недоумением смотрели на обломки НАТО — как же так ...

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      Neiro Вчера 12:40

      Ученые впервые создали «истинно случайное» число

      Хотя выражение «это случайно» часто используется для описания непредсказуемых ситуаций, истинная случайность, как в физике, так и в математике, долгое время оставалась неуловимым понятием. Однако группа исследователей в области квантовых вычислений только что сделала важный шаг: впервые они сгенерировали число, которое признано фундаментально случайным...
      718
      Neiro 30 марта 17:38

      Временный отказ от смартфона может омолодить мозг на 10 лет, доказали учёные

      Если отказаться от интернета на две недели, то можно добавить себе 10 лет жизни.   «Участники эксперимента установили приложение, ограничивающее доступ к мобильному интернету, то есть у испытуемых осталась возможность совершать звонки и отправлять SMS. По истечении этого срока все участники сообщили о повышении настроения, улучшении удовлетворённо...
      577
      Neiro 27 марта 10:39

      Клубника против деменции: учёные выяснили скрытую пользу популярной ягоды

      «Клубника улучшает работу мозга и здоровье сердца, но ее когнитивные преимущества остаются неясными»: Клубника три раза в неделю спасает от деменции.   «Регулярное употребление этой ягоды может не только поддерживать функции мозга, но и улучшать общее состояние организма благодаря воздействию на клеточные механизмы. Клубника положитель...
      429
      Neiro 23 марта 10:45

      Ученым впервые удалось создать лекарство от инсульта

      У пациентов, перенесших инсульт, появилась новая надежда на выздоровление, поскольку, по мнению исследователей, это самый первый препарат, который может обеспечить комплексную реабилитацию без необходимости в сложной длительной физиотерапии.    Ученые Калифорнийского университета совершили прорыв, сузив круг кандидатов в лекарственные препараты до ...
      479
      Neiro 22 марта 10:47

      Неизвестная форма жизни внутри мрамора и известняка

      В обширных и засушливых ландшафтах Намибии, Омана и Саудовской Аравии группа исследователей обнаружила ряд своеобразных структур в мраморных и известняковых образованиях, происхождение которых, похоже, не соответствует известным геологическим процессам. Это открытие, недавно опубликованное в специализированном журнале Geomicrobiology Journal, позволяет предположит...
      784
      Neiro 21 марта 16:51

      Госдума вводит маркировку звонков на экранах мобильных телефонов

      Госдума приняла в первом чтении проект о борьбе с телефонным и интернет-мошенничеством, согласно которому все звонки на экранах мобильных телефонов должны быть промаркированы. Gettyimages.ru Как сообщает ТАСС, юрлица должны будут бесплатно информировать абонента о себе перед звонком. При этом сам абонент сможет отказаться от них и пожаловаться оператор...
      741
      Neiro 20 марта 10:51

      В Британии будут вставлять мозговые имплантаты алкоголикам и наркоманам

      В мозг страдающих зависимостью от алкоголя и наркотиков начнут вживлять чипы в Британии. «Хирурги планируют провести эксперимент и вживить имплантаты в мозг алкоголиков и наркоманов, страдающих зависимостью. Цель эксперимента — проверить эффективность использования электрических импульсов для борьбы с тягой к алкоголю и наркотикам.   Эта ...
      184
      Neiro 19 марта 14:48

      Что происходит с мозгом во время гипноза?

      Гипнотизер говорит, что ваши веки тяжелеют, вы медленно засыпаете... Группа нейробиологов из Медицинской школы Стэнфордского университета выяснила, что происходит в мозге во время гипнотического транса. Ученые наблюдали работу мозга 57 добровольцев, когда те проходили сеанс управляемого гипноза по методике, которая используется в психотерапии для лечения тре...
      1034
      Neiro 13 марта 12:53

      Ученые нашли новые доказательства существования Ноева ковчега

      Ноев ковчег нашли? Курган в форме ковчега в Турции был под водой 5000 лет назад — в тот же период, что и библейский потоп. Подтвердить написанное в Библии остается заветной мечтой ученых — теперь они считают, что обнаружили ковчега времен глобальной катастрофы.   «Согласно Библии, Ноев ковчег спас человечество и всех животных от немину...
      835
      Neiro 13 марта 10:44

      Ученые обнаружили повседневную еду, которая может оказать существенное влияние на поведение подростков

      Ученые обнаружили повседневную еду, которая может оказать существенное влияние на поведение подростков: дети, которые едят мало рыбы, менее общительны и плохо учатся.   «Школьники, которые в возрасте 7 лет потребляли мало морепродуктов, имели меньше „просоциальных“ качеств в 7 и 9 лет по сравнению с теми, кто регулярно ел морепродукты....
      617
      Neiro 12 марта 12:39

      Ученые создали твердый и жидкий свет

      Мы привыкли к тому, что свет — это что-то неуловимое и нематериальное. Но физики утверждают, что это не так. Более того, недавно ученые обнаружили, что свет может вести себя одновременно и, как сверхтекучая жидкость и, как твердое тело.   Сочетание несочетаемого Сверхтвердые тела, как их называют физики, обладают нулевой вязкостью, что означает...
      738
      Neiro 9 марта 10:42

      Ученые проверили, одинаково ли люди воспринимают тот же цвет

      Видит ли один человек цвета именно так, как их видит другой, остается трудным вопросом для исследователей человеческого сознания. Это пытаются выяснить по косвенным признакам, например по тому, какие ассоциации вызывает у разных людей один и тот же цвет. Недавно ученые решили опробовать еще один подход к этой проблеме: определить, насколько схожи или различны те и...
      609
      Neiro 6 марта 10:50

      Ученые обнаружили белок, который обращает вспять старение клеток

      Человечество замахнулось на создание «молодильных яблок».   Группа исследователей из Университета Осаки в Японии освоила механизм обращения вспять процесса старения на клеточном уровне. Ученые объяснили, что с возрастом клетки организма постепенно становятся менее активными. Стареющие клетки не просто старше — они заметно крупнее. ...
      792
      Neiro 5 марта 12:58

      Слепому жителю Канады имплантировали в глаз зуб для восстановления зрения

      Жителю Канады провели операцию по восстановлению зрения путем пересадки его зуба в глазницу. Подобную необычную операцию на протяжении десятилетий проводят в других странах мира, для Канады она стала одной из первых в истории страны.   «Слепой канадец вскоре смог снова видеть благодаря удивительному источнику — своим зубам. Хотя это может по...
      1124
      Neiro 3 марта 14:03

      Парадокс Моравека

      Парадокс Моравека заключается вот в чем - почему для искусственного интеллекта элементарное оказывается самым сложным История технологий полна предсказаний, которые сейчас звучат смешно. Один из самых известных примеров приписывается Биллу Гейтсу, который в 1981 году заявил, что «640 килобайт должно хватить любому». Предсказания об искусственном ...
      643
      Neiro 26 февраля 10:49

      Ученые подтвердили существование аномального льда VII

      Международная группа исследователей сумела экспериментально подтвердить существование льда VII - редкой и экзотической формы, которая, как предполагается, может существовать в океанах на далеких экзопланетах. Ранее предположения о существовании этой экзотической формы воды высказывались исключительно теоретически. Теперь же материал был получен в лаборатории. ...
      801
      Neiro 22 февраля 16:47

      Инопланетная жизнь на основе серной кислоты: новая гипотеза ученых

      Недавнее исследование, проведенное группой специалистов из MIT, предлагает смелую идею: формы жизни, принципиально отличные от земных, могут использовать концентрированную серную кислоту так, как мы полагаемся на воду. Эта гипотеза кардинально меняет наше представление о необходимых условиях для возникновения жизни за пределами Земли. Альтернативный раствори...
      793
      Neiro 19 февраля 12:55

      Ученые вырастили человекоподобные зубы у свиней

      Потеря зуба у взрослого человека часто означает необходимость установки протезов или имплантатов, но исследователи из Университета Тафтса изучают новый вариант: выращенные в лаборатории зубы. На протяжении десятилетий варианты замены зубов ограничивались зубными протезами или титановыми имплантатами.   Эти решения часто дороги и чреваты осложнениями....
      572
      Neiro 16 февраля 10:55

      Хорошие новости к завтраку — ученые реабилитировали яйца

      Хорошие новости к завтраку — ученые реабилитировали яйца, употребление от 1 до 6 яиц в неделю снижает риск смерти.   «Изучив данные о здоровье и рационе участвующих в шестилетнем эксперименте австралийцев и американцев, ученые из Университета Монаша пришли к выводу, что у тех из них, кто еженедельно употребляли яйца, риск развития сердечно-с...
      675
      Neiro 12 февраля 12:48

      Странная трансформация внутреннего ядра Земли раскрыта

      Данные сейсмических волн свидетельствуют о необычных изменениях, происходящих вблизи внутреннего ядра Земли, утверждают учёные, обнаружившие свидетельства ранее неизвестных структурных преобразований, происходящих в глубинах планеты. Открытие, сделанное группой ученых из Университета Южной Калифорнии (USC), позволяет по-новому взглянуть на глубинные земные явления...
      1407
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика