Формування біологічних організмів

РЕФЕРАТ

ФОРМУВАННЯ БІОЛОГІЧНИХ ОРГАНІЗМІВ

Передача спадкової інформації

Жива природа вражає нас різноманіттям форм, але окремі біологічні види відрізняються сталістю форми, відтворюючи її знову і знову в незмінному вигляді. Це означає, що виникнення форми повинно бути підпорядковане суворим правилам. Але яким, власне, чином взагалі виникає форма, і як стає можливим впорядковування цього виникнення? Найпростішим відповіддю на ці питання буде посилання на спадковість. Адже нам чудово відомо, що тілесні - і, безсумнівно, духовні - властивості і якості передаються у спадок, а значить, повинен існувати якийсь матеріальний носій цих властивостей, якесь хімічну речовину. Хіміки нагородили цей носій складним ім'ям «дезоксирибонуклеїнова кислота», скорочуваним зазвичай до ДНК. Молекула ДНК є дві молекулярні ланцюжки, закручені один навколо іншого у спіраль, за що і називається іноді подвійною спіраллю (Мал. 1). У кожній ланцюжку, як у нитці бус, що складається з різноколірних перлин, збудовані один за одним у порядку, уявній абсолютно довільним, хімічні сполуки чотирьох різних типів (Мал. 2). Повні назви цих чотирьох сполук більшості з нас мало що скажуть; тут ми назвемо їх за першими літерами їх коротких назв: А (аденін), Ц (цитозин), Г (гуанін) і Т (тимін). (Самі назви нам більше не знадобляться, тому запам'ятовувати їх не обов'язково.) Для посилення аналогією з кольоровими намистом привласнимо кожному типу сполук певний колір.

Рис. 1. Утворюють подвійну спіраль молекулярні ланцюжки ДНК. Вгорі схематично показаний поздовжній розріз, внизу - об'ємна модель

Молекула ДНК «відтворюється» в клітині подібно до того, як на фотографії відтворюється негатив. При цьому за допомогою певної хімічної реакції виникає молекула рибонуклеїнової кислоти (РНК). Кожен окремий елемент ДНК (А, Ц, Г або Т) переходить при цьому в з'єднання нового типу.

Елементи молекулярної ланцюжка групуються по три, наприклад: ГАУ, ЦЦУ, ГЦУ, УУУ

Послідовність елементів у групах представляє собою свого роду код, що визначає порядок вибудовування в молекулі білка окремих амінокислот (Мал. 3).

Рис. 2. У кожній ланцюжку елементи молекули слідують один за одним, подібно перлинам в намисті

Рис. 3. Кодони, або триплети молекули РНК

Наявність у певної ланцюжку РНК послідовності, допустимо, ГАУ-ЦЦУ-ГЦУ-УУУ є свого роду письмовим наказом для клітини, що звучить приблизно так: «лад білок (протеїн), і на перше місце постав амінокислоту аспарагін, на друге - аланін і т. д. »Таким чином, РНК керує внутрішньоклітинним синтезом. Кожен триплет з підстав А, Ц, Г і У є окремою одиницю інформації, якесь кодове слово, або кодон. Молекули ДНК і РНК містять (в залежності від того, про який біологічному організмі йде мова) від декількох десятків до багатьох мільйонів таких кодонів: ними можна заповнити не тільки цілу сторінку (Мал. 4), але й цілу книгу (запис ДНК людини). Напрошується ідея про те, що за допомогою ДНК від організму до організму передається якесь керівництво до дії (або навіть щось на зразок будівельного плану). Або, використовуючи іншу метафору, ДНК - це магнітна стрічка, яка зберігає і згодом відтворює будь-яку мелодію.

При найближчому розгляді такого подання про спадковість знову виникають певні проблеми. Складаючи дійсний будівельний план, неможливо обійтися без величезної кількості різноманітних інструкцій та приписів. Наприклад, в них має бути чітко зазначено, де саме в організмі, що розвивається покладено перебувати кожній клітині і якими саме характеристиками кожна з цих клітин повинна бути наділена. А тепер спробуйте подумки уявити, яка кількість подібних розпоряджень - або, як кажуть фахівці, який обсяг інформації - необхідно мати для того, щоб «збудувати» живий організм: дуже скоро ви дістанетеся до числа, що відповідає такій кількості інформації, яка не здатна в себе вмістити ніяка молекула ДНК. Повертаючись до порівняння ДНК з книгою, можна сказати, що для «будівництва», наприклад, людини потрібна була б колосальна бібліотека. Отже, Природа мала розробити методи, що дозволяли реалізувати «плани» будь-якої складності, обходячись при цьому куди меншими обсягами інформації. Повинен, очевидно, існувати якийсь закон, згідно з яким з наявної структури ДНК розвивається відповідний організм.

Рис. 4. Приклад послідовності основ у молекулі ДНК вірусу

Повертаючись до вищенаведеної аналогії, можна сказати, що якщо молекула ДНК - це магнітна стрічка, призначена для збереження і відтворення певних сигналів, то має існувати щось, що виконував би функції власне магнітофона, перетворюючого ці сигнали в мелодію з одним, правда, істотним відмінністю: все вказує на те, що Природа перетворює сигнали ДНК немислимо хитромудрим способом, «диктуючи» в деякому сенсі тільки музичну тему і надаючи детальну розробку цієї теми «магнітофону», тобто організму, який розвивається. У цьому світлі висловлене вище положення про вміст у ДНК цілком певної інформації починає виглядати дещо сумнівним. Зміст ДНК визначається навколишнім середовищем, в якій молекулам ДНК (або РНК) доводиться «відтворювати» свою тему. Візьмемо для прикладу крайній випадок: якщо помістити ДНК або РНК в купу цукрового піску, то не відбудеться рівним рахунком нічого. Зате деякі молекули цих речовин уже можуть «поневолити», підпорядкувати собі певні бактерії, примусивши їх виробляти інсулін.

Освіта біологічних форм

Перш ніж зайнятися цим питанням впритул, звернемося до експериментів, які допоможуть нам розібратися в механізмах утворення форм організмів (і окремих органів). Для таких цілей у біології - так само, як і в інших науках - зазвичай застосовується будь-яка «модельна система», що відрізняється відносною простотою і тому зручна для вивчення. Найбільшу популярність здобули дві таких модельних системи: міксоміцетів і гідри.

Міксоміцетів (або слизовики) - грибообразную організми, що мешкають у верхніх шарах грунту і в звичайному стані представляють собою скупчення клітин, подібних за формою з амебами. Якщо харчування окремих клітин убожіє, то відбувається наступне: клітини - немов підкоряючись таємним наказом - раптово скупчуються в одному місці і утворюють так звані ніжку і спороносітель (Мал. 5). Втім, міксоміцетів і після цього залишаються здатні до пересування, яке нагадує рух змій (Мал. 6). Вже перша фаза - зосередження в одному місці - у вищій мірі цікава. Звідки окремим клітинам стає з Вестн місце збору? Яким чином вони взагалі дізнаються про те, що повинні десь зібратися? Біологи виявили, що клітини здатні виробляти особливу субстанцію - так званий циклічний адснозінмонофосфат, або ц-АМФ, - і обмінюватися нею. Як тільки клітина отримує від однієї з сусідніх клітин порцію ц-АМФ, вона підсилює і власне виділення цієї речовини; взаємодія такого ефекту посилення і дифузії породжує структуру, аналогічну хімічним хвилях або спіралях (Мал. 7). Окремі клітини здатні «реєструвати» градієнт щільності виникають у процесі хвиль ц-АМФ і рухаються в напрямку, протилежному напрямку поширення цих хвиль. Для пересування клітини використовують крихітні псевдоподии.

Рис. 5. Тут схематично представлені «стадії» розвитку міксоміцетів від окремих клітин-амеб до утворення гриба

Рис. 6. Міксоміцсти, або слизовики

Рис. 7. Спіралеподібні хвилі ц-АМФ

Наведений приклад наочно показує, що утворення таких структур, як спіралі або концентричні кола, може цілком аналогічно протікати як в неживої (в ході хімічних реакцій), так і в живій природі. Фундаментальна причина цієї схожості полягає в тому, що в основі подібних процесів лежать завжди одні й ті ж закономірності зміни параметра порядку, що визначають макроскопічне поводження спостережуваних структур.

Після того як окремі - причому абсолютно однакові - клітини зберуться в одному місці, починається новий процес, що легко піддається спостереженню; причини того, що відбувається, однак, ще не до кінця зрозумілі. Клет ки скупчуються в одному місці, при цьому відбувається їх диференціація: частина скупчення перетворюється на ніжку гриба, інші ж стають його капелюшком. Можливо, ц-АМФ відіграє вирішальну роль і в процесі диференціації клітин; втім, відповідні дослідження ще не завершені. Все ж таки наведений приклад дає вельми наочне уявлення про те, яким чином окремі клітини "домовляються" між собою за допомогою особливого хімічної речовини. Цей результат знадобиться нам надалі, коли ми займемося безпосередньо утворенням структур.

Мабуть, найбільш широко відомим прикладом модельної системи в біології може служити гідра. Мова йде про прісноводому поліпі розміром усього в кілька міліметрів; серед кількох сотень тисяч клітин, з яких складається гідра, можна виділити трохи більше дюжини типів. У гідри є підошва і голова (тобто протилежний підошві кінець, на якому розташоване ротовий отвір). Цікавить нас перш за все наступне питання: звідки недиференційовані спочатку групи клітин дізнаються, де має бути утворено ротовий отвір, а де - підошва? У дусі обговорювалася раніше ідеї про існуючий заздалегідь «будівельному плані» можна припустити, що кожна клітина до початку «будівництва» виявляється вже проінструктована щодо того, чим саме їй належить стати.

Рис. 8. Регенерація гідри. Зліва схематично зображено недоторкане тіло гідри, в середині - розсічене на дві половини, а праворуч - вже дві нові гідри, і в кожної з них є і ротовий отвір, і підошва

Гідру можна використовувати для проведення дуже цікавого експерименту (Мал. 8). Розрізавши гідру посередині, ми отримаємо дві нові гідри: відсутня частина кожної половини швидко регенерується. Це означає, що абсолютно однакові клітини можуть розвинутися в абсолютно різні органи, т.с. клітини повинні якимось чином отримати інструкції, які визначать їх місце розташування і вкажуть призначення. Іншими словами, клітини повинні зуміти зберегти інформацію про свій стан. Про задіяних у цьому механізми дають уявлення такі експерименти.

Головну частину однієї гідри пересаджують в середню частину іншої гідри. Якщо пересаджена частина виявляється близько до голови гідри-реципієнта, то зростання нової голови пригнічується, якщо ж видалення це досить велике, то з пересадженою частини утворюється абсолютно нова голова. Очевидно, клітини якимось чином сполучаються між собою в тому сенсі, що існуюча голова виявляється здатна подбати про те, щоб поряд із нею не виросла друга.

Мікроскопічні структури на молекулярної основі

На прикладі міксоміцетів ми побачили, що сполучення між окремими клітинами на відстані може здійснюватися завдяки дифузії хімічних речовин. Моделі ж для пояснення процесу диференціювання клітин були запропоновані математиками (зокрема, Аланом М. Тьюрінгом) ще раніше. Щоб розібратися в цьому питанні, розглянемо дві спочатку відокремлені один від одного клітини, в яких протікають одні й ті ж хімічні реакції (Мал. 9). У результаті цих реакцій відбувається утворення молекул типу А, частина яких, втім, потім знову розщеплюється, так що в кінцевому рахунку виникає рівноважна концентрація. Природно, передбачається, що в обох клітинах концентрація молекул типу А однакова. Тепер припустимо, що хімічні речовини можуть передаватися у двох напрямках: і від першої клітини до другої, і навпаки (Мал. 10). Такий обмін може призвести до того, що стан рівноваги (рівній концентрації хімічних речовин) між клітинами стає нестійким. Найкраще це можна продемонструвати за допомогою, так званої, синергетичної кривої, тобто моделі кульки, що рухається по горбистому ландшафту. Якщо кулька з точки нестійкої рівноваги скочується вліво, це означає, що концентрація молекул типу А підвищується в лівій клітці; в іншому випадку підвищення концентрації відбувається в правій клітині. Найменша початкова флуктуація при виробництві молекул типу А в ході хімічних реакцій визначає, в якій з двох клітин концентрація цієї речовини буде вищою. В ізольованих клітинах концентрація молекул типу А однаково висока, тобто в обох клітинах молекули розподілені симетрично; в клітинах, пов'язаних один з одним, рівномірного розподілу не спостерігається, т.с. симетрія порушується. Таке просторове порушення симетрії дуже важливо в сучасних теоріях формоутворення. Багато дослідників продовжили розробку принципової ідеї Тьюрінга, використовуючи при вивченні хімічних процесів спеціальні моделі з великою кількістю клітин, що забезпечують безперервне протікання досліджуваного процесу.

Рис. 10. Тепер клітини з Рис. 9 повідомляються один з одним, завдяки чому між ними став можливий обмін речовиною. Такий обмін в сукупності з протікають в кожній клітині процесами призводить до нерівномірного розподілу концентрації речовини. Дано обидва випадки порушення симетрії, що відповідають двом можливим положенням кульки на синергетичної кривої

Альфред Гірср і Ганс Мейнхардт розробили дуже докладну математичну модель, здатну пояснити, наприклад, процес регенерації у гідри. Мова йде, зокрема, про те, яким чином спочатку не диференційовані групи клітин можуть потім утворити з одного кінця гідри ротовий отвір, а з іншого - підошву. Уявімо собі, як і раніше недиференційовану групу клітин, в яких виробляються два різнорідних хімічних речовини. Перше речовина активізує клітини, «спонукаючи» їх до утворення голови, тому ми назвемо його актівато ром. Однак нам також відомо, що процес утворення голови може бути і пригнічений. На підставі цього можна постулювати існування речовини, що перешкоджає утворенню голови, дезактивуючих або переважної процес; назвемо таку речовину «інгібітором».

Рис. 9. В однакових, але не пов'язаних між собою клітинах утворюється однакова концентрація хімічної речовини

Тепер уявімо собі, що спочатку клітки рівномірно виробляють і активатор, і інгібітор, так що обидві речовини можуть вільно дифундувати всередині групи клітин, а також вступати в реакцію один з одним. При виникненні в результаті хімічної реакції певного критичного кількості деякого речовини (наприклад, активатора) спостерігається утворення деякої впорядкованої структури. Це може відбутися при виникненні навіть мінімальної різниці в концентрації, як показано на схемі (Мал. 11). Згідно з сьогоднішнім науковим уявленням, висока концентрація активатора здатна «включати» гени окремих належать цій групі клітин; гени ж, у свою чергу, сприяють такої диференціації клітин, в результаті якої утворюється нове ротовий отвір. Протікають при цьому процеси повністю відповідають загальній схемі, відомої в синергетики. Утворюється в результаті структура являє собою параметр порядку, який, з одного боку сам виникає в ході взаємодії хімічних речовин, а з іншого боку - він же і управляє плином кожної окремої реакції, в результаті чого і виникає та чи інша специфічна структура.

Поведінка параметра порядку в цьому прикладі можна проілюструвати двома способами, як і у всіх попередніх випадках. По-перше, відповідної просторової або тимчасової моделлю, по-друге, використовуючи точні розрахунки. Як тільки ми опишемо фундаментальні про цес у формі вже згадуваних раніше рівнянь дифузії, синергетичні методи дозволять нам отримати результуюче розподіл концентрацій. Як ми незабаром побачимо, однакові просторові структури можуть виникати навіть в результаті абсолютно різних процесів (Мал. 12).

Рис. 11. Розподіл концентрації біомолекул. Зліва - незначна концентрація; праворуч - висока концентрація

Гіпотетичне спочатку існування речовин, названих нами активаторами та інгібіторами, отримало тим часом експериментальне підтвердження. У випадку з гідрою були виявлені активатори та інгібітори для ротового отвору і для підошви. По всій видимості, подібні речовини широко поширені в природі. Так, наприклад, було доведено їх наявність у морських анемона, більше того, активатори та інгібітори грають важливу роль і в формуванні нервової системи ссавців. Вже певний час тому було виявлено речовину, що впливає на зростання нервових волокон; воно виробляється клітинами і дифундує потім крізь клітинну оболонку, «залучаючи» до себе нервові волокна, що виходять з інших груп клітин, спонукаючи їх до зростання і керуючи ними таким чином, що нервові волокна ростуть у напрямку до розташованих зовні областях тіла.

Рис. 12. Зміна концентрації активатора в холі реакції: математична тривимірна модель, за допомогою якої досліджувалася взаємозв'язок між підвищенням концентрації активатора і виникненням просторової структури

Існування активаторів та інгібіторів з одного боку, і регуляція утворення структур за допомогою макроскопічного параметра порядку - з іншого, дозволяє (принаймні, в принципі) пояснити безліч феноменів: це і смуги у зебр, і освіта нирок на стеблах (Мал. 13), і багато-багато іншого. Безсумнівно, ми перебуваємо поки лише на самому початку довгого шляху, який коли-небудь приведе нас до розуміння того, як утворюються такі складні органи.

Рис. 13. Математична модель освіти нирок

Природа дасть можливість окремим частинам зростаючого організму підтримувати між собою повідомлення та узгоджувати один з одним свої дії. Окремі частини організму утворюються не за встановленим планом - у всякому разі, в цьому немає нічого схожого на складання людиною якого-небудь електронного приладу. У виникненні, наприклад, нервових трактів між органами почуттів і мозком беруть участь процеси самоорганізації: саме на це вказують експерименти, в ході яких нервовий зв'язок між оком і мозком жаби спочатку переривалася, а потім знову відновлювалася. Після зрощування нервових волокон могло виявитися, наприклад, що частина мозку сприймає тепер навколишній світ перевернутим з ніг на голову. Однак через деякий час жаба знову опинялася здатна до нормального сприйняття, що ставало ясно з її поведінки (наприклад, по тому, як вона ловила мух). Функціональні зв'язку змінювалися таким чином, що знову могла здійснюватися єдина «вірна» схема передачі інформації від ока до мозку. Основне питання при цьому зводиться до з'ясування того, яким чином зорові клітини очі вже під час росту організму виявляються пов'язані з відповідними нервовими клітинами мозку. При більш ретельному аналізі експериментів, про які вже згадувалося вище, з'ясувалося, що з'єднання між оком і мозком виникають у вигляді самоорганізації. Як показують модельні розрахунки, проведені Крістофом фон дер Мальсбургом, і тут цей процес протікає за принципом конкуренції, відповідно до якого кожен «вірно» функціонуючий ділянку посилюється, а ті нервові волокна, що передають в мозок «невірне» зображення, придушуються. «Вірне» (і «невірне») в даному випадку визначається виходячи з тієї обставини, що зображення навколишнього світу, сприймається кожної зорової клітиною, має передаватися клітинам якихось конкретних зон головного мозку. Кооперація і співіснування з одного боку, і конкурентна боротьба - з іншого виявляються, таким чином, явищами, властивими аж ніяк не тільки макроскопічному тваринному світу; ці ж принципи лежать в основі розвитку окремих організмів.