Aqueles que não estão familiarizados com biologia, genética estão interessados em como as células do corpo "entendem" que algumas devem se tornar cabelo, outras ossos, outras - cérebros, etc.? Os órgãos são formados sequencialmente, alguns continuam a se formar ao longo da vida; de alguma forma, o comando "iniciar a formação" e "formação completa" deve ser dado. E se essas equipes não forem formadas a partir de um único centro, o caos surgirá.
Onde fica esse centro então?
Esta pergunta não é infantil de forma alguma. Na verdade, esta não é uma, mas várias questões, e elas tocam todos os problemas mais importantes, cuja solução está sendo tratada por uma ciência grande, muito complexa e em rápido desenvolvimento - a biologia do desenvolvimento. É simplesmente impossível responder a essas perguntas bem e em detalhes em poucas palavras. As respostas a elas estão contidas em livros grandes e grossos e milhares de artigos científicos. Muito nesta ciência ainda não está claro e novas descobertas são feitas quase todos os dias.
Mas alguns princípios gerais podem ser tentados para explicar.
Vamos começar com o "centro único", sem o qual o "caos" surgirá. Surpreendentemente, não é esse o caso. Muitas células em divisão podem se comportar de maneira bastante inteligente e formar estruturas complexas, mesmo que não tenham um único centro de controle. Esses processos são chamados de "auto-organização". Infelizmente, a mente humana é tão estruturada que é terrivelmente difícil para ele compreender tais processos. Quando encontramos exemplos de auto-organização, sempre nos parece uma espécie de milagre inexplicável. Por exemplo, como os belos padrões de gelo em vidro ou flocos de neve se formam a partir de moléculas de vapor d'água que se movem aleatoriamente? Onde o "programa snowflake" ou seu "projeto" é armazenado? Não há desenho em lugar nenhum, mas o programa existe, essas são as propriedades físicas da molécula de água, da qual depende a formação dos cristais de gelo.
Mas voltando ao aglomerado de células - o minúsculo embrião que se formou a partir do ovo como resultado das primeiras divisões. Cada célula do embrião possui o mesmo genoma (conjunto de genes). O genoma determina todas as propriedades de uma célula, este é o seu "programa de comportamento". O programa para todas as células do embrião é o mesmo. No entanto, as células logo começam a se comportar de maneiras diferentes: algumas se transformam em células da pele, outras em células intestinais e assim por diante. Isso se deve ao fato de que as células trocam informações - elas enviam sinais químicos umas às outras e mudam seu comportamento dependendo dos sinais que receberam de seus vizinhos. Os sinais também podem ser físicos: as células podem "sentir" seus vizinhos onde estão puxando ou empurrando. Além disso, alguns sinais vêm do mundo externo. Por exemplo,as células embrionárias nas plantas sentem a gravidade e a levam em consideração ao decidir como se comportar. Por exemplo, aquelas células que têm vizinhos apenas na parte superior começam a se transformar em uma raiz, e aquelas com vizinhos apenas na parte inferior - em um tronco. Por fim, o óvulo pode ter uma "marcação" simples desde o início: um de seus pólos pode diferir do outro na concentração de algumas substâncias.
O programa de comportamento para todas as células é inicialmente o mesmo, mas pode ser bastante complexo e consistir em vários conjuntos separados de regras. Qual dos conjuntos de regras que uma determinada célula executará depende dos sinais recebidos pela célula. Cada "regra" separada se parece com isto: "se tais e tais condições forem atendidas, faça tal e tal ação." As principais ações que as células realizam é ativar ou desativar determinados genes. Ligar ou desligar o gene muda as propriedades da célula, e ela começa a se comportar de maneira diferente, a reagir de maneira diferente aos sinais.
Vídeo promocional:
Como é que células que têm o mesmo programa de comportamento e estão aparentemente nas mesmas condições ainda se comportam de maneira diferente? O fato é que as células do embrião estão, na verdade, em condições diferentes - isso acontece por si mesmo no processo de divisão celular. Alguém acabou por estar dentro, alguém fora, alguém abaixo, alguém por cima, em alguém a concentração da substância A é alta (porque esta célula foi formada a partir daquela parte do óvulo onde havia muito desta substância), e em quem - essa substância A é pequena.
As células também podem ter um "contador de divisão" que informa quantas vezes o ovo já se dividiu. Esse contador também é químico: inicialmente havia certas substâncias no ovo, cujo suprimento não é reposto durante o desenvolvimento do embrião, e por quantas dessas substâncias permaneceram na célula, pode-se entender quantas divisões se passaram desde o início do desenvolvimento.
O programa de comportamento celular pode conter, por exemplo, os seguintes comandos:
“Se você estiver fora, e se a concentração da substância A em você é tal e tal (está dentro de tais e tais limites), e se a concentração da substância B ao seu redor for zero, e se 10 divisões se passaram desde o início do desenvolvimento, então comece a excretar a substância B."
A que conduzirá a execução de tal comando? Isso levará ao fato de que em um determinado momento (após dez divisões) uma única célula aparece na superfície do embrião, secretando a substância B. Ela estará localizada a uma distância estritamente definida de um dos pólos do embrião, pois em nosso exemplo, a substância A serviu para a inicial marcação de oócitos. Conseqüentemente, pela concentração da substância A, a célula pode determinar a que distância dos pólos do embrião ela está. Por que existe apenas uma dessas células que secreta a substância B? Mas porque havia uma instrução: "Se a concentração da substância B ao seu redor for zero." Assim que a primeira célula, na qual as condições estabelecidas forem satisfeitas, começar a liberar a substância B, a concentração dessa substância deixará de ser zero e, portanto, outras células não começarão a liberá-la.
E o que acontece se removermos a instrução “Se a concentração da substância B ao seu redor for zero” do programa? Então, a substância B começará a ser liberada não por uma única célula, mas por toda uma faixa de células que circunda o embrião a uma certa distância dos pólos. A largura da correia e sua posição (mais perto ou mais longe do pólo onde a concentração de A é máxima) dependerão das concentrações da substância A indicadas na instrução "Se a concentração da substância A em você é tal e tal".
Agora nosso embrião está marcado muito mais complicado e interessante do que antes. Ele tem uma "parte frontal" na qual há muito A, e a concentração de B aumenta de frente para trás; possui uma faixa central, onde a concentração de B é máxima; e tem um fundo, onde há pouco A e onde a concentração de B diminui da frente para trás. Nosso embrião se subdividiu em partes bem delimitadas, nas quais as células estão em diferentes condições e, portanto, realizarão diferentes sub-rotinas de seu programa geral original.
Dividimos o embrião em seções anterior, média e posterior. Eles podem se tornar, por exemplo, a cabeça, o tronco e a cauda. Mas também gostaria de saber onde estarão suas costas e onde está seu estômago. Como fazer isso? É muito simples, já passamos por isso. É necessária uma instrução que leve ao aparecimento de apenas uma célula ou de um pequeno grupo de células secretando alguma substância (por exemplo, B) em qualquer "lado" do embrião, em algum lugar entre a cabeça e a cauda. E que essa substância B lance o programa para o crescimento de uma bela dorsal verde onde há muito, e o programa para a formação de uma barriga rosa-suave onde é rara.
Quando o embrião já está tão bem e detalhadamente "marcado", cada grupo de células pode facilmente determinar onde está, e ativar a sub-rotina preparada para este caso (um conjunto de regras de comportamento).
Durante o desenvolvimento do embrião, é verdade que aqui e ali surgem "centros de controle" especiais - grupos de células que liberam uma ou outra substância, que serve de sinal para outras células e afeta seu comportamento. Mas, ao mesmo tempo, todas as células ainda se comportam estritamente de acordo com o programa genético original, que é o mesmo para todas. Os centros de controle surgem por si próprios, por meio da auto-organização, ninguém os insere deliberadamente ali. E nenhuma "liderança centralizada unificada", muito menos significativa, razoável, é necessária para isso.
No desenvolvimento de animais reais, tudo é mais complicado do que em nosso exemplo imaginário, mas, curiosamente, não muito. Por exemplo, na maioria dos animais, cerca de uma dúzia de substâncias sinalizadoras são usadas para a "marcação longitudinal" do embrião (em nosso exemplo, conseguimos fazer duas - A e B). Um grupo especial de genes, os chamados genes Hawks, são responsáveis pela produção dessas substâncias. E para separar o embrião em tecidos (nervoso, muscular, epitelial, etc.), outras três dúzias de outras substâncias sinalizadoras são usadas - são chamadas de microRNAs. Mas esses são apenas os reguladores mais importantes do desenvolvimento, e ainda existem muitos auxiliares, e os cientistas ainda não descobriram todas as suas propriedades e funções.
As substâncias sinalizadoras que governam o comportamento das células do embrião são muito poderosas. Por exemplo, se você cortar a cauda de um girino e jogar uma dessas substâncias na ferida, em vez de uma nova cauda, o girino criará um monte de patinhas. Esses experimentos cruéis foram realizados no início do século XX. Então, os geneticistas começaram a trabalhar, que aprenderam a mudar o funcionamento dos genes em partes individuais do embrião. Incluindo os genes que produzem substâncias - reguladores de desenvolvimento. Uma das descobertas mais interessantes dos geneticistas é que os genes que controlam o desenvolvimento são muito semelhantes em todos os animais. Eles podem até ser transplantados de um animal para outro e funcionarão. Por exemplo, se você pegar um gene de camundongo que ativa a sub-rotina do olho de camundongo e o faz funcionar no botão da perna de uma mosca,então, um olho começa a se formar na perna da mosca. Verdade, não o olho de um rato, mas o de uma mosca.
Assim, percebemos que não existe um "projeto" de um organismo adulto no genoma, mas apenas um programa para o comportamento de uma célula individual. O organismo adulto "se auto-organiza" simplesmente pelo fato de que cada célula segue estritamente o mesmo programa de comportamento. Os matemáticos dizem que seria muito mais difícil codificar o projeto de um animal adulto no genoma do que esse programa. Este programa, curiosamente, em si é muito mais simples do que o organismo resultante. E também, se nosso desenvolvimento procurasse não por auto-organização com base em um programa, mas de acordo com um projeto, seria muito mais difícil para nós evoluir.
Cem anos atrás, quando os cientistas ainda não conheciam as leis do desenvolvimento do embrião, muito da evolução parecia incompreensível para eles. Por exemplo, alguns cientistas se perguntaram como, no processo de evolução, todas as quatro pernas poderiam se alongar ao mesmo tempo - afinal, para isso, eles raciocinaram, era necessário que as mutações mudassem simultaneamente o comprimento das quatro pernas de uma vez! De fato, se um desenho de um organismo adulto fosse registrado no genoma, seria necessário fazer quatro correções nesse desenho para aumentar o comprimento de quatro pernas. Agora sabemos que o desenvolvimento prossegue de acordo com um programa em que basta fazer apenas uma mudança para que o comprimento de todos os quatro membros mude, e mude da mesma maneira.
Alexander Markov
