როგორ ვითარდება ორგანიზმი ერთი უჯრედიდან ისეთ კომპლექსურ რამედ, როგორიცაა ბაყაყი, ბუზი ან ადამიანი? გაიგეთ მეტი ორგანიზმის განვითარების მთავარი პრინციპების შესახებ.

საკვანძო საკითხები:

  • მრავალუჯრედიანი ორგანიზმი ვითარდება ერთი უჯრედიდან (ზიგოტადან). იგი იქცევა მრავალი სხვადასხვა ტიპის უჯრედად, რომლებიც ქსოვილებსა და ორგანოებშია ორგანიზებული.
  • ორგანიზმის განვითარება მოიცავს უჯრედის გაყოფას, სხეულის ღერძის წარმოქმნას, ქსოვილებისა და ორგანოების განვითარებას და უჯრედის დიფერენციაციას (უჯრედული ტიპის საბოლოო იდენტობის მიღებას).
  • ორგანიზმის განვითარების დროს უჯრედები იყენებენ შიდა, ანუ თანდაყოლილ, ინფორმაციას და გარე სიგნალებს მეზობლებისგან, რათა „გადაწყვიტონ“ საკუთარი ქცევა და იდენტობა.
  • განვითარების პროგრესირებასთან ერთად უჯრედები, როგორც წესი, უფრო და უფრო იზღუდებიან თავიანთი განვითარების პოტენციალის მხრივ (უჯრედთა იმ ტიპებში, რომელთა წარმოებაც შეუძლიათ მათ).

შესავალი

თქვენ, ჩემო მეგობარო, ხართ მოსიარულე, მოსაუბრე, მოაზროვნე, შემმეცნებელი კოლექცია 3030 ტრილიონზე\text{ტრილიონზე} მეტი უჯრედისა1^1. თუმცა თქვენ ყოველთვის როდი იყავით ამხელა და ასეთი კომპლექსური. მეტიც, თქვენ (პლანეტაზე მცხოვრები ყველა სხვა ადამიანის მსგავსად) თავდაპირველად მხოლოდ ერთი უჯრედი იყავით — ზიგოტა, განაყოფიერების პროდუქტი. მაშ, როგორ წარმოიქმნა თქვენი გასაოცარი, კომპლექსური სხეული?

ორგანიზმის განვითარება: სრული სურათი

ორგანიზმის განვითარების დროს ადამიანი თუ სხვა მრავალუჯრედიანი ორგანიზმი განიცდის საოცარ ტრანსფორმაციას, რომელიც, როგორც მინიმუმ, ისეთივე დრამატულია, როგორიც მუხლუხის პეპელად მეტამორფოზა. საათების, დღეებისა და თვეების განმავლობაში ორგანიზმი ერთი უჯრედიდან, რომელსაც ზიგოტა (სპერმატოზოიდისა და კვერცხუჯრედის შერწყმის პროდუქტი) ეწოდება, იქცევა უჯრედების, ქსოვილებისა და ორგანოების უზარმაზარ, ორგანიზებულ კოლექციად.
ემბრიონის განვითარებასთან ერთად მისი უჯრედები იყოფა, იზრდება და გარკვეული კანონზომიერებით მიგრირებს, რათა წარმოქმნას უფრო და უფრო კომპლექსური სხეული. სწორად ფუნქციონირებისთვის ამ სხეულს სჭირდება კარგად განსაზღვრული ღერძები (მაგალითად, თავი და კუდი). მას აგრეთვე სჭირდება მრავალი უჯრედისგან შემდგარი ორგანოების სპეციფიკური კოლექციები და სხვა სტრუქტურები, რომლებიც ღერძის გაყოლებაზეა განთავსებული სწორ წერტილებში და სწორადაა დაკავშირებული ერთიმეორესთან.
განვითარებასთან ერთად ორგანიზმის სხეულის უჯრედები აგრეთვე აუცილებლად უნდა სპეციალიზირდეს მრავალ, ფუნქციურად განსხვავებულ ტიპად. თქვენი სხეული (ან, თუნდაც, ახალშობილის სხეული) შეიცავს განსხვავებული უჯრედის ტიპების ფართო წყებას, დაწყებული ნეირონებითა და ღვიძლის უჯრედებით, დამთავრებული სისხლის უჯრედებით. უჯრედთა ამ ტიპთაგან თითოეული სხეულის მხოლოდ განსაზღვრულ ადგილას გვხვდება — გარკვეულ ქსოვილებსა და ორგანოებში — სადაც მათი ფუნქციაა საჭირო.
რა წარმართავს ამ ჩახლართულ უჯრედულ ცეკვას? ორგანიზმის განვითარებას დიდწილად გენები აკონტროლებს. სხეულის ზრდადასრულებული უჯრედის ტიპები, მაგალითად, ნეირონები და ღვიძლის უჯრედები, ექსპრესირებს გენთა განსხვავებულ ნაკრებებს, რომლებიც მათ თავიანთ უნიკალურ მახასიათებლებსა და ფუნქციებს სძენს. ამავენაირად, უჯრედები განვითარების დროსაც ექსპრესირებენ გენთა სპეციფიკურ ნაკრებებს. გენთა ექსპრესიის ეს კანონზომიერებები წინ მიუძღვის უჯრედთა ქცევას და აძლევს მათ საშუალებას, მეზობელ უჯრედებთან დაამყარონ კომუნიკაცია და შეათანხმონ ორგანიზმის განვითარება.
ამ და მორიგ სტატიაში ჩვენ უფრო დეტალურად განვიხილავთ ორგანიზმის განვითარების პრინციპებსა და მაგალითებს.

ორგანიზმის განვითარების რამდენიმე მთავარი პროცესი

განსხვავებული ორგანიზმები განსხვავებული გზებით ვითარდებიან, თუმცა არსებობს რამდენიმე მთავარი რამ, რაც აუცილებლად უნდა მოხდეს თითქმის ყველა ორგანიზმის ემბრიონული განვითარების დროს:
  • გაყოფის შედეგად უჯრედების რაოდენობა უნდა გაიზარდოს
  • აუცილებლად უნდა ჩამოყალიბდეს სხეულის ღერძები (თავი-კუდი, მარჯვენა-მარცხენა და ა.შ.)
  • უნდა წარმოიქმნას ქსოვილები, ორგანოებმა და სტრუქტურებმა კი უნდა მიიღონ თავიანთი ფორმები
  • ცალკეულმა უჯრედებმა უნდა მიიღონ თავიანთი საბოლოო უჯრედული ტიპის იდენტობები (მაგ., ნეირონი)
მეტი სიცხადისთვის უნდა ითქვას, რომ ეს პროცესები ერთმანეთისგან განცალკევებით არ ხდება. ნაცვლად ამისა, ისინი ერთდროულად მიმდინარეობს ემბრიონის განვითარებისას.
მაგალითად, სხეულის განსხვავებული ღერძები (როგორებიცაა თავი-კუდი და მარჯვენა-მარცხენა) ორგანიზმის ადრეული განვითარების ეტაპზე სხვადასხვა დროს წარმოიქმნება, ამის პარალელურად კი იყოფა ემბრიონის უჯრედები. მსგავსად ამისა, ორგანოს ფორმირებას სჭირდება უჯრედების გაყოფა ამ ორგანოს ასაგებად, აგრეთვე დიფერენციაცია (უჯრედების მიერ თავიანთი საბოლოო იდენტობების მიღება), რათა ორგანოს განსაზღვრული ნაწილები შესაბამისი უჯრედებით აიგოს.

ინფორმაციის წყაროები განვითარებისას

საიდან იციან უჯრედებმა, თუ რა უნდა აკეთონ ორგანიზმის განვითარების დროს? სხვაგვარად რომ ვთქვათ, საიდან იცის უჯრედმა, თუ როდის და როგორ უნდა მიგრირდეს, გაიყოს ან დიფერენცირდეს? ზოგადად, არსებობს ორი ტიპის ინფორმაცია, რომელიც წინ უძღვის უჯრედების ქცევას:
  • შიდა (თაობათა ხაზის) ინფორმაცია დედა უჯრედისგანაა თანდაყოლილი უჯრედული გაყოფის გზით. მაგალითად, უჯრედს შეიძლება, მემკვიდრულად გადაეცეს მოლეკულები, რომლებიც მას „ეტყვიან“, რომ იგი ეკუთვნის სხეულის ნეირონულ, ანუ ნერვული უჯრედების მაწარმოებელ, თაობათა ხაზს.
  • გარე (პოზიციური) ინფორმაცია მიიღება უჯრედის გარემოდან. მაგალითად, უჯრედმა შესაძლოა, მეზობლისგან მიიღოს ქიმიური სიგნალები, რომლებიც მას მისცემს ინსტრუქციას, გახდეს ცალკეული ტიპის ფოტორეცეპტორი (სინათლის მაფიქსირებელი ნეირონი).
ორგანიზმის განვითარების დროს უჯრედები თავიანთი იდენტობისა და ქცევის შესახებ გადაწყვეტილებების მისაღებად ხშირად ორივე ტიპის ინფორმაციას იყენებენ, შიდასაც და გარესაც. რა თქმა უნდა, „გადაწყვეტილების მიღებაში“ იმას არ ვგულისხმობთ, რომ ისინი თქვენსავით ან ჩვენსავით ფიქრობენ ამოცანაზე! ნაცვლად ამისა, უჯრედები გადაწყვეტილებას იღებენ კალკულატორისა თუ კომპიუტერის მსგავსად: ისინი იყენებენ გენებსა და ცილებს, რათა განახორციელონ ლოგიკური ოპერაციები, რომელთა მეშვეობითაც გამოითვლება საუკეთესო საპასუხო რეაქცია.

დიფერენციაცია, დეტერმინაცია და ღეროვანი უჯრედები

განვითარების მთელი პროცესის განმავლობაში უჯრედები უფრო და უფრო შეზღუდულები ხდებიან თავიანთი „განვითარების პოტენციალის“ მხრივ.3^3 ეს ნიშნავს, რომ მათ მიერ უჯრედული გაყოფის (ან უშუალო გარდასახვის) გზით წარმოქმნილი სხვა უჯრედების ტიპები უფრო და უფრო მცირდება.
მაგალითად, ადამიანის ზიგოტას შეუძლია, დასაბამი მისცეს ადამიანის ორგანიზმის უჯრედების ყველა ტიპს, მათ შორის იმ უჯრედებსაც, რომლებითაც პლაცენტა იგება. ღეროვანი უჯრედების სფეროს ტერმინოლოგიით თუ ვიტყვით, ეს უნარი, დასაბამისი მისცეს სხეულისა და პლაცენტას უჯრედების ყველა ტიპს, ზიგოტას ტოტიპოტენტურს ხდის. მიუხედავად ამისა, უჯრედული გაყოფის რამდენიმე რაუნდის შემდეგ ემბრიონის უჯრედები კარგავენ თავიანთ უნარს, დასაბამი მისცენ პლაცენტის უჯრედებს, და ხდებიან უფრო შეზღუდულები თავანთ პოტენციალში (პლურიპოტენტურები)4^4. ამ ცვლილებებს იწვევს უჯრედებში ექსპრესირებული გენების ნაკრების გარდაქმნები.
საბოლოოდ, ემბრიონის უჯრედები იყოფა სამ სხვადასხვა ჯგუფად, რომელთაც ჩანასახოვანი ფურცლები ეწოდება: მეზოდერმა, ენდოდერმა და ექტოდერმა. თითოეული ჩანასახოვანი ფურცელი ნორმალურ პირობებში დასაბამს მისცემს ქსოვილებისა და ორგანოების მისთვის დამახასიათებელ წყებას.
ჩანასახოვანი ფურცლის უჯრედების გაყოფის, ერთმანეთთან ურთიერთქმედებისა და საკუთარი შიდა ინფორმაციის კითხვის პარალელურად მათი უჯრედული ბედისწერის „შესაძლო ვარიანტები“ უფრო და უფრო მცირდება. პირველ ყოვლისა, უჯრედები განისაზღვრება, ანუ გარკვეული ბედისწერით მოინიშნება, რომლის შეცვლაც ჯერ კიდევ შესაძლებელია განსაზღვრული სიგნალების არსებობის პირობებში. შემდეგ ისინი ხდებიან დეტერმინირებულნი, რაც ნიშნავს, რომ ისინი შეუქცევადად არიან დამდგარი განსაზღვრულ გზას. მას შემდეგ, რაც უჯრედი დეტერმინირდება, ახალ გარემოში რომც გადავიტანოთ, იგი მაინც დიფერენცირდება, როგორც იმ ტიპის უჯრედი, რომლადაც იგი უკვე წინასწარაა განსაზღვრული5^5.
საბოლოოდ, ორგანიზმში ყველა უჯრედი დიფერენცირდება, ანუ, სტაბილურ, საბოლოო იდენტობას იძენს. ადამიანის ორგანიზმში დიფერენცირებული უჯრედების ტიპებია ნეირონები, ნაწლავური უჯრედები და მაკროფაგები, რომლებიც იმუნური სისტემის ნაწილია და შემოჭრილ ბაქტერიებს ანადგურებს. თითოეულ დიფერენცირებულ უჯრედის ტიპს გენის ექსპრესიის სპეციფიკური მოდელი ახასიათებს, რომელსაც ის სტაბილურად ინარჩუნებს. გენები, რომლებიც უჯრედის ტიპში ექსპრესირდება, განსაზღვრავს ცილებსა და ფუნქციურ რნმ-ებს, რომლებიც ამ სპეციფიკურ უჯრედის ტიპს სჭირდება და მას სწორ სტრუქტურასა და ფუნქციას ანიჭებს თავისი საქმის შესრულებისთვის.
მაგალითად, ზემოთ მოცემულ დიაგრამაზე ნაჩვენებია ორი გენი, რომლებიც განსხვავებულად ექსპრესირდება ღვიძლის უჯრედებსა და ნეირონებში. ერთ-ერთი გენი, რომელიც აკოდირებს ნაწილს ფერმენტისა, რომელიც შლის ალკოჰოლსა და სხვა ტოქსინებს, მხოლოდ ღვიძლის უჯრედში ექსპრესირდება (და არა — ნეირონში). მეორე გენი, რომელიც აკოდირებს ნეიროტრანსმიტერს, ექსპრესირდება მხოლოდ ნეირონში (და არა — ღვიძლის უჯრედში). უჯრედთა ამ ორ ტიპში მრავალი სხვა გენიც განსხვავებულად ექსპრესირდება.

ზრდასრული ღეროვანი უჯრედები

ადამიანის სხეულში არსებული ყველა უჯრედი როდი დიფერენცირდება. ზრდასრულ სხეულში ზოგიერთი უჯრედი ინარჩუნებს უნარს, გაიყოს და წარმოქმნას უჯრედთა რამდენიმე ტიპი. მათ შორისაა ზრდასრული ღეროვანი უჯრედები, რომლებიც, როგორც წესი, მულტიპოტენტურია: მათ შეუძლიათ, წარმოქმნან ერთზე მეტი ტიპის უჯრედები, თუმცა არა — უჯრედთა ტიპების ფართო დიაპაზონი4^4. მაგალითად, ძვლის ტვინში არსებულ ჰემატოპოეტურ ღეროვან უჯრედებს შეუძლია, დასაბამი მისცეს სისხლის მიმოქცევის სისტემის უჯრედების ყველა ტიპს (ნაჩვენებია ქვემოთ), თუმცა არა — სხვა ტიპის უჯრედებს, როგორებიცაა ნეირონები ან კანის უჯრედები.
ღეროვანი უჯრედების განმასხვავებელი თვისება ისაა, რომ მათ ახასიათებთ უჯრედების ასიმეტრიული დაყოფა, რომლის შედეგადაც წარმოიქმნება ორი შვილეული უჯრედი, რომლებიც განსხვავდებიან ერთმანეთისგან. ერთ-ერთი შვილეული უჯრედი ისევ ღეროვან უჯრედად რჩება — პროცესი, რომელსაც თვითგანახლება ეწოდება (უჯრედი, რომელიც იყოფა, ფუნქციურად იდენტურ შვილეულს წარმოქმნის და საკუთარ თავს „აახლებს“). მეორე შვილეული უჯრედი სხვა იდენტობას იძენს, ან უშუალოდ საჭირო ტიპის უჯრედად დიფერენცირდება, ან დამატებით იყოფა რამდენჯერმე, რათა მეტი უჯრედი წარმოქმნას.
ორგანიზმის განვითარების შესახებ მეტის გაგება და მისი პრინციპებისა და პროცესების შესახებ მეტი მაგალითის ნახვა შეგიძლიათ შემდეგ სტატიებში:
  • ბაყაყების განვითარება: გაიგეთ მეტი ბაყაყების ადრეული განვითარების შესახებ. ბონუსი: იხილეთ ექსპერიმენტი, რომელიც წარმოშობს ორთავიან ტრიტონს!
  • ჰომეოზისური გენები: გაიგეთ მეტი „მთავარი მარეგულირებელი“ გენების შესახებ, რომლებიც განსაზღვრავენ სხეულის მთლიან სეგმენტებსა თუ სტრუქტურებს. ბონუსი: იხილეთ ბუზი, რომელსაც ფეხები თავზე ეზრდება!
იტვირთება