Mereka yang tidak akrab dengan biologi, genetika tertarik pada bagaimana sel-sel tubuh "memahami" bahwa sebagian akan menjadi rambut, sebagian lagi menjadi tulang, yang lain - otak, dll.? Organ-organ terbentuk secara berurutan, sebagian terus terbentuk sepanjang hidup, bagaimanapun juga perintah "mulai pembentukan" dan "pembentukan lengkap" harus diberikan. Dan jika tim-tim ini tidak dibentuk dari satu pusat, kekacauan akan muncul.
Dimana pusat ini?
Pertanyaan ini sama sekali tidak kekanak-kanakan. Sebenarnya, ini bukan hanya satu, tetapi beberapa pertanyaan, dan mereka menyentuh semua masalah yang paling penting, yang solusinya sedang ditangani oleh ilmu yang besar, sangat kompleks dan berkembang pesat - biologi perkembangan. Sangat tidak mungkin untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini dengan baik dan rinci dalam beberapa kata. Jawabannya tertuang dalam buku besar dan tebal serta ribuan artikel ilmiah. Banyak hal dalam sains ini yang masih belum jelas, dan penemuan baru dibuat hampir setiap hari.
Tetapi beberapa prinsip umum dapat dicoba untuk dijelaskan.
Mari kita mulai dengan "pusat tunggal", yang tanpanya "kekacauan" akan muncul. Anehnya, ini tidak terjadi. Banyak sel pemisah dapat berperilaku cukup cerdas dan membentuk struktur yang kompleks, meskipun mereka tidak memiliki pusat kendali tunggal. Proses seperti itu disebut "organisasi mandiri". Sayangnya, pikiran manusia sangat terstruktur sehingga sangat sulit baginya untuk memahami proses semacam itu. Ketika kita menemukan contoh pengorganisasian diri, bagi kita itu selalu tampak seperti keajaiban yang tidak bisa dijelaskan. Misalnya, bagaimana pola indah es pada kaca atau kepingan salju terbentuk dari molekul uap air yang bergerak secara acak? Di mana "program kepingan salju" atau "cetak birunya" disimpan? Tidak ada gambar di mana pun, tetapi programnya ada, ini adalah sifat fisik molekul air, yang menjadi dasar pembentukan kristal es.
Tetapi kembali ke rumpun sel - embrio kecil yang terbentuk dari telur sebagai hasil dari beberapa divisi pertama. Setiap sel dalam embrio memiliki genom (kumpulan gen) yang sama. Genom menentukan semua properti sel, ini adalah "program perilaku" -nya. Program untuk semua sel embrio adalah sama. Namun, sel segera mulai berperilaku dengan cara yang berbeda: beberapa berubah menjadi sel kulit, yang lain menjadi sel usus, dan seterusnya. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sel bertukar informasi - mereka saling mengirim sinyal kimiawi dan mengubah perilakunya tergantung pada sinyal apa yang mereka terima dari tetangganya. Sinyal juga bisa bersifat fisik: sel dapat "merasakan" tetangganya di mana mereka menarik atau mendorong. Selain itu, beberapa sinyal datang dari dunia luar. Sebagai contoh,sel embrionik pada tumbuhan merasakan gravitasi dan memperhitungkannya saat memutuskan bagaimana berperilaku. Misalnya, sel-sel yang bertetangga hanya dari atas mulai berubah menjadi akar, dan sel-sel yang bertetangga hanya dari bawah - menjadi batang. Akhirnya, sel telur mungkin memiliki "tanda" sederhana sejak awal: salah satu kutubnya mungkin berbeda dari yang lain dalam konsentrasi beberapa zat.
Program perilaku untuk semua sel pada awalnya sama, tetapi bisa sangat kompleks dan terdiri dari beberapa set aturan terpisah. Set aturan mana yang akan dieksekusi oleh sel tertentu bergantung pada sinyal yang diterima oleh sel tersebut. Setiap "aturan" yang terpisah terlihat seperti ini: "jika kondisi ini dan itu terpenuhi, lakukan tindakan ini dan itu." Tindakan utama yang dilakukan sel adalah mengaktifkan atau menonaktifkan gen tertentu. Mengaktifkan atau menonaktifkan gen mengubah sifat-sifat sel, dan ia mulai berperilaku berbeda, untuk bereaksi berbeda terhadap sinyal.
Video promosi:
Bagaimana mungkin sel-sel yang memiliki program perilaku yang sama dan tampaknya berada dalam kondisi yang sama masih berperilaku berbeda? Faktanya adalah bahwa sel-sel embrio sebenarnya berada dalam kondisi yang berbeda - itu terjadi dengan sendirinya dalam proses pembelahan sel. Seseorang ternyata ada di dalam, seseorang di luar, seseorang di bawah, seseorang di atas, pada seseorang konsentrasi zat A tinggi (karena sel ini terbentuk dari bagian sel telur di mana terdapat banyak zat ini), dan di dalamnya -bahwa zat A kecil.
Sel mungkin juga memiliki "penghitung pembelahan" yang memberi tahu mereka berapa kali telur telah membelah. Penghitung ini juga bersifat kimiawi: awalnya ada zat tertentu di dalam telur, yang pasokannya tidak terisi kembali selama perkembangan embrio, dan dengan berapa banyak zat ini yang tersisa di dalam sel, orang dapat memahami berapa banyak divisi yang telah berlalu sejak awal perkembangan.
Program perilaku sel mungkin berisi, misalnya, perintah berikut ini:
"Jika Anda berada di luar, dan jika konsentrasi zat A di dalam dirimu adalah ini dan itu (dalam batas ini dan itu), dan jika konsentrasi zat B di sekitar Anda adalah nol, dan jika 10 divisi telah berlalu sejak awal pembangunan, kemudian mulai mengeluarkan zat B."
Apa yang akan dihasilkan dari eksekusi perintah seperti itu? Ini akan mengarah pada fakta bahwa pada saat tertentu (setelah sepuluh divisi) sebuah sel tunggal muncul di permukaan embrio yang mengeluarkan zat B. Sel tersebut akan ditempatkan pada jarak yang ditentukan secara ketat dari salah satu kutub embrio, karena dalam contoh kita, zat A berfungsi sebagai awal. oosit menandai. Akibatnya, dengan konsentrasi zat A, sel dapat menentukan berapa jaraknya dari kutub embrio. Mengapa hanya ada satu sel yang mengeluarkan zat B? Tapi karena ada instruksi: "Jika konsentrasi zat B di sekitarmu adalah nol." Segera setelah sel pertama di mana kondisi yang ditetapkan terpenuhi mulai melepaskan zat B, konsentrasi zat ini akan berhenti menjadi nol, dan oleh karena itu sel lain tidak akan mulai melepaskannya.
Dan apa yang terjadi jika kita menghilangkan instruksi “Jika konsentrasi zat B di sekitar Anda adalah nol” dari program? Kemudian zat B akan mulai disekresikan bukan oleh satu sel, tetapi oleh seluruh strip sel yang mengelilingi embrio pada jarak tertentu dari kutub. Lebar sabuk dan posisinya (lebih dekat atau lebih jauh dari kutub di mana konsentrasi A maksimum) akan bergantung pada konsentrasi zat A yang diindikasikan dalam instruksi "Jika konsentrasi zat A di dalam dirimu adalah ini dan itu."
Sekarang embrio kita ditandai dengan jauh lebih rumit dan menarik dari sebelumnya. Ia memiliki "bagian depan" yang mengandung banyak A, dan konsentrasi B meningkat dari depan ke belakang; ia memiliki sabuk pusat, di mana konsentrasi B adalah maksimum; dan memiliki punggung, di mana ada sedikit A dan konsentrasi B berkurang dari depan ke belakang. Embrio kita telah terbagi menjadi bagian-bagian yang dibatasi dengan tajam, di mana sel-selnya berada dalam kondisi yang berbeda dan oleh karena itu akan melaksanakan subrutin yang berbeda dari program umum aslinya.
Kami telah membagi embrio menjadi bagian anterior, tengah dan posterior. Mereka bisa menjadi, misalnya, kepala, batang tubuh, dan ekor. Tapi saya juga ingin tahu di mana punggungnya, dan di mana perutnya. Bagaimana cara melakukannya? Ini sangat sederhana, kami telah melalui ini. Diperlukan instruksi yang mengarah pada munculnya hanya satu sel atau sekelompok kecil sel yang mensekresikan beberapa zat (misalnya, B) di "sisi" embrio, di suatu tempat di tengah antara kepala dan ekor. Dan biarlah zat B ini memulai program untuk pertumbuhan punggung punggung hijau yang indah di mana ada banyak, dan program untuk pembentukan perut merah muda lembut yang langka.
Ketika embrio sudah begitu baik dan secara rinci "ditandai", setiap kelompok sel dapat dengan mudah menentukan di mana ia berada dan mengaktifkan subrutin yang disiapkan untuk kasus ini (seperangkat aturan perilaku).
Selama perkembangan embrio, memang benar bahwa di sana-sini muncul "pusat kendali" khusus - kelompok sel yang melepaskan satu atau zat lain, yang berfungsi sebagai sinyal bagi sel lain dan memengaruhi perilakunya. Tetapi pada saat yang sama, semua sel masih berperilaku sesuai dengan program genetik asli, yang sama untuk semua. Pusat kendali muncul dengan sendirinya, melalui pengaturan diri, tidak ada yang sengaja memasukkannya ke sana. Dan tidak ada "kepemimpinan terpusat yang terpadu", apalagi yang bermakna, masuk akal, diperlukan untuk ini.
Dalam perkembangan hewan nyata, semuanya lebih rumit dari pada contoh imajiner kita, tetapi anehnya, tidak banyak. Misalnya, pada kebanyakan hewan, sekitar selusin zat pemberi sinyal digunakan untuk "tanda longitudinal" embrio (dalam contoh kami, kami berhasil melakukan dua - A dan B). Sekelompok gen khusus, yang disebut gen Hawks, bertanggung jawab atas produksi zat ini. Dan untuk memisahkan embrio menjadi jaringan (saraf, otot, epitel, dll.), Tiga lusin zat pemberi sinyal lainnya digunakan - mereka disebut mikroRNA. Tetapi ini hanyalah pengatur perkembangan yang paling penting, dan masih banyak yang tambahan, dan para ilmuwan belum menemukan semua sifat dan fungsinya.
Zat pemberi sinyal yang mengatur perilaku sel embrio sangat kuat. Misalnya, jika Anda memotong ekor kecebong dan menjatuhkan salah satu zat ini ke luka, maka alih-alih ekor baru, kecebong akan menumbuhkan sekelompok kaki kecil. Eksperimen kejam seperti itu dilakukan pada awal abad ke-20. Kemudian ahli genetika turun ke bisnis, yang belajar mengubah kerja gen di setiap bagian embrio. Termasuk gen yang menghasilkan zat - pengatur perkembangan. Salah satu penemuan paling menarik dari ahli genetika adalah bahwa gen yang mengontrol perkembangan sangat mirip pada semua hewan. Mereka bahkan dapat dipindahkan dari satu hewan ke hewan lain dan mereka akan berhasil. Misalnya, jika Anda mengambil gen tikus yang mengaktifkan subrutin mata tikus dan membuatnya bekerja pada kuncup kaki lalat,kemudian sebuah mata mulai terbentuk di kaki lalat. Benar, bukan mata tikus, tapi mata lalat.
Jadi, kami menyadari bahwa tidak ada "cetak biru" dari organisme dewasa di dalam genom, tetapi hanya program untuk perilaku sel individu. Organisme dewasa "mengatur dirinya sendiri" hanya karena fakta bahwa setiap sel secara ketat mengikuti program perilaku yang sama. Para ahli matematika mengatakan bahwa akan jauh lebih sulit untuk membuat kode cetak biru hewan dewasa dalam genom daripada program semacam itu. Anehnya, program ini sendiri jauh lebih sederhana daripada organisme yang dihasilkan. Dan juga, jika perkembangan kita berjalan tidak melalui pengorganisasian diri berdasarkan program, tetapi menurut cetak biru, akan jauh lebih sulit bagi kita untuk berkembang.
Seratus tahun yang lalu, ketika para ilmuwan masih belum mengetahui hukum perkembangan embrio, banyak hal dalam evolusi yang tampaknya tidak dapat mereka pahami. Sebagai contoh, beberapa ilmuwan bertanya-tanya bagaimana, dalam proses evolusi, keempat kaki bisa memanjang pada saat yang sama - lagipula, untuk ini, mereka beralasan, mutasi perlu secara bersamaan mengubah panjang keempat kaki sekaligus! Memang, jika gambar organisme dewasa dicatat dalam genom, diperlukan empat koreksi pada gambar ini untuk menambah panjang empat kaki. Sekarang kita tahu bahwa perkembangan berjalan sesuai dengan program di mana ia cukup membuat hanya satu perubahan untuk panjang keempat anggota badan untuk berubah, dan berubah dengan cara yang sama.
Alexander Markov
