Aquellos que no están familiarizados con la biología, la genética están interesados en cómo las células del cuerpo "entienden" que algunas deberían convertirse en cabello, otras en huesos, otras en cerebros, etc. Los órganos se forman secuencialmente, algunos continúan formándose a lo largo de la vida, de alguna manera se debe dar el comando "iniciar la formación" y "completar la formación". Y si estos equipos no se forman a partir de un solo centro, surgirá el caos.
¿Dónde está entonces este centro?
Esta pregunta no es infantil en absoluto. De hecho, esta no es una, sino varias preguntas, y tocan todos los problemas más importantes, cuya solución está siendo abordada por una ciencia grande, muy compleja y en rápido desarrollo: la biología del desarrollo. Es simplemente imposible responder bien y en detalle a estas preguntas en pocas palabras. Las respuestas a ellos están contenidas en libros grandes y gruesos y miles de artículos científicos. Gran parte de esta ciencia aún no está clara y casi todos los días se realizan nuevos descubrimientos.
Pero se pueden intentar explicar algunos principios generales.
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Empecemos por el "centro único", sin el cual surgirá el "caos". Sorprendentemente, este no es el caso. Muchas células en división pueden comportarse de manera bastante inteligente y formar estructuras complejas, incluso si no tienen un solo centro de control. Estos procesos se denominan "autoorganización". Desafortunadamente, la mente humana está tan estructurada que le resulta tremendamente difícil comprender tales procesos. Cuando nos encontramos con ejemplos de autoorganización, siempre nos parece una especie de milagro inexplicable. Por ejemplo, ¿cómo se forman los hermosos patrones de hielo en el vidrio o los copos de nieve a partir de moléculas de vapor de agua que se mueven al azar? ¿Dónde se almacena el "programa del copo de nieve" o su "plano"? No hay dibujo en ninguna parte, pero el programa existe, estas son las propiedades físicas de la molécula de agua, de las que depende la formación de cristales de hielo.
Pero volvamos al grupo de células: el pequeño embrión que se formó a partir del óvulo como resultado de las primeras divisiones. Cada célula del embrión tiene el mismo genoma (conjunto de genes). El genoma determina todas las propiedades de una célula, este es su "programa de comportamiento". El programa para todas las células del embrión es el mismo. Sin embargo, las células pronto comienzan a comportarse de diferentes formas: algunas se convierten en células de la piel, otras en células intestinales, etc. Esto se debe al hecho de que las células intercambian información: se envían señales químicas entre sí y cambian su comportamiento según las señales que reciben de sus vecinos. Las señales también pueden ser físicas: las células pueden "sentir" a sus vecinas donde están tirando o empujando. Además, algunas señales provienen del mundo exterior. Por ejemplo,Las células embrionarias de las plantas perciben la gravedad y la tienen en cuenta a la hora de decidir cómo comportarse. Por ejemplo, aquellas células que tienen vecinos solo desde la parte superior comienzan a convertirse en una raíz, y aquellas con vecinos solo desde la parte inferior, en un tallo. Finalmente, el óvulo puede tener una simple "marca" desde el principio: uno de sus polos puede diferir del otro en la concentración de algunas sustancias.
El programa de comportamiento para todas las celdas es inicialmente el mismo, pero puede ser bastante complejo y constar de varios conjuntos de reglas separados. Cuál de los conjuntos de reglas ejecutará una celda determinada depende de las señales recibidas por la celda. Cada "regla" separada se parece a esto: "si se cumplen tales y tales condiciones, realice tal o cual acción". Las principales acciones que realizan las células es activar o desactivar ciertos genes. Activar o desactivar el gen cambia las propiedades de la célula y comienza a comportarse de manera diferente, a reaccionar de manera diferente a las señales.
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¿Cómo es que las células que tienen el mismo programa de comportamiento y aparentemente se encuentran en las mismas condiciones todavía se comportan de manera diferente? El hecho es que las células del embrión se encuentran en diferentes condiciones; simplemente sucede por sí mismo en el proceso de división celular. Alguien resultó estar adentro, alguien afuera, alguien abajo, alguien arriba, en alguien la concentración de sustancia A es alta (porque esta célula se formó a partir de esa parte del óvulo donde había mucha de esta sustancia), y en quién -que la sustancia A es pequeña.
Las células también pueden tener un "contador de división" que les dice cuántas veces ya se ha dividido el huevo. Este contador también es químico: inicialmente había ciertas sustancias en el huevo, cuyo suministro no se repone durante el desarrollo del embrión, y por cuántas de estas sustancias permanecieron en la célula, se puede entender cuántas divisiones han pasado desde el comienzo del desarrollo.
El programa de comportamiento celular puede contener, por ejemplo, los siguientes comandos:
"Si estás afuera, y si la concentración de la sustancia A en usted es tal o cual (está dentro de tales límites), y si la concentración de sustancia B a tu alrededor es cero, y si han pasado 10 divisiones desde el inicio del desarrollo, luego comienza a excretar la sustancia B."
¿A qué conducirá la ejecución de tal comando? Conducirá al hecho de que en un momento determinado (después de diez divisiones) aparezca una sola célula en la superficie del embrión, secretando la sustancia B. Se ubicará a una distancia estrictamente definida de uno de los polos del embrión, porque en nuestro ejemplo, la sustancia A sirvió para el inicio marcaje de ovocitos. En consecuencia, mediante la concentración de sustancia A, la célula puede determinar a qué distancia de los polos del embrión se encuentra. ¿Por qué hay una sola célula que segrega la sustancia B? Pero porque había una instrucción: "Si la concentración de sustancia B a tu alrededor es cero". Tan pronto como la primera celda en la que se cumplan las condiciones establecidas comience a liberar la sustancia B, la concentración de esta sustancia dejará de ser cero y, por lo tanto, otras células no comenzarán a liberarla.
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¿Y qué sucede si eliminamos del programa la instrucción “Si la concentración de sustancia B a tu alrededor es cero”? Entonces la sustancia B comenzará a ser secretada no por una sola célula, sino por toda una franja de células que rodean al embrión a cierta distancia de los polos. El ancho del cinturón y su posición (más cerca o más lejos del polo donde la concentración de A es máxima) dependerán de las concentraciones de sustancia A indicadas en la instrucción "Si la concentración de sustancia A en usted es tal o cual".
Ahora nuestro embrión está marcado mucho más complicado e interesante que antes. Tiene una "parte frontal" en la que hay mucho A, y la concentración de B aumenta de adelante hacia atrás; tiene un cinturón central, donde la concentración de B es máxima; y tiene un dorso, donde hay poco A y donde la concentración de B disminuye de adelante hacia atrás. Nuestro embrión se ha subdividido en partes claramente delimitadas, en las que las células se encuentran en diferentes condiciones y por lo tanto llevarán a cabo diferentes subrutinas de su programa general original.
Hemos subdividido el embrión en secciones anterior, media y posterior. Pueden convertirse, por ejemplo, en la cabeza, el torso y la cola. Pero también me gustaría saber dónde estará su espalda y dónde estará su estómago. ¿Cómo hacerlo? Es muy simple, ya hemos pasado por esto. Se necesita una instrucción que lleve a la aparición de una sola célula o un pequeño grupo de células que secretan alguna sustancia (por ejemplo, B) en cualquier "lado" del embrión, en algún lugar en el medio entre la cabeza y la cola. Y que esta sustancia B inicie el programa para el crecimiento de una hermosa cresta dorsal verde donde hay mucha, y el programa para la formación de una barriga rosa suave donde es escasa.
Cuando el embrión ya está tan bien y en detalle "marcado", cada grupo de células puede determinar fácilmente dónde está y activar la subrutina preparada para este caso (un conjunto de reglas de comportamiento).
Durante el desarrollo del embrión, es cierto que aquí y allá aparecen "centros de control" especiales, grupos de células que liberan una u otra sustancia, que sirve como señal para otras células y afecta su comportamiento. Pero al mismo tiempo, todas las células siguen comportándose estrictamente de acuerdo con el programa genético original, que es el mismo para todas. Los centros de control surgen por sí mismos, a través de la autoorganización, nadie los inserta intencionalmente allí. Y para esto no se requiere un "liderazgo centralizado unificado", y mucho menos significativo, razonable.
En el desarrollo de los animales reales, todo es más complicado que en nuestro ejemplo imaginario, pero, curiosamente, no por mucho. Por ejemplo, en la mayoría de los animales, se utilizan alrededor de una docena de sustancias de señalización para el "marcado longitudinal" del embrión (en nuestro ejemplo, logramos hacer dos: A y B). Un grupo especial de genes, los llamados genes Hawks, son responsables de la producción de estas sustancias. Y para separar el embrión en tejidos (nervioso, muscular, epitelial, etc.), se utilizan otras tres docenas de sustancias de señalización, que se denominan microARN. Pero estos son solo los reguladores más importantes del desarrollo, y todavía hay muchos auxiliares, y los científicos aún no han descubierto todas sus propiedades y funciones.
Las sustancias de señalización que gobiernan el comportamiento de las células del embrión son muy poderosas. Por ejemplo, si le cortas la cola a un renacuajo y dejas caer una de estas sustancias sobre la herida, entonces, en lugar de una nueva cola, al renacuajo le crecerán un montón de patas pequeñas. Experimentos tan crueles se llevaron a cabo a principios del siglo XX. Luego, los genetistas se pusieron manos a la obra y aprendieron a cambiar el trabajo de los genes en partes individuales del embrión. Incluidos los genes que producen sustancias: reguladores del desarrollo. Uno de los descubrimientos más interesantes de los genetistas es que los genes que controlan el desarrollo son muy similares en todos los animales. Incluso se pueden trasplantar de un animal a otro y funcionarán. Por ejemplo, si toma un gen de ratón que activa la subrutina del ojo del ratón y lo hace funcionar en la yema de la pata de una mosca,luego comienza a formarse un ojo en la pata de la mosca. Cierto, no el ojo de un ratón, sino el de una mosca.
Entonces, nos dimos cuenta de que no existe un "modelo" de un organismo adulto en el genoma, sino solo un programa para el comportamiento de una célula individual. El organismo adulto se "autoorganiza" simplemente por el hecho de que cada célula sigue estrictamente el mismo programa de conducta. Los matemáticos dicen que sería mucho más difícil codificar un modelo para un animal adulto en el genoma que un programa de este tipo. Este programa, por extraño que parezca, en sí mismo es mucho más simple que el organismo resultante. Y también, si nuestro desarrollo no procediera a través de la autoorganización sobre la base de un programa, sino de acuerdo con un plan, sería mucho más difícil para nosotros evolucionar.
Hace cien años, cuando los científicos aún no conocían las leyes del desarrollo embrionario, gran parte de la evolución les parecía incomprensible. Por ejemplo, algunos científicos se preguntaron cómo, en el proceso de evolución, las cuatro patas podrían alargarse al mismo tiempo; después de todo, para esto, razonaron, ¡era necesario que las mutaciones cambiaran simultáneamente la longitud de las cuatro patas a la vez! De hecho, si se registrara un dibujo de un organismo adulto en el genoma, se necesitarían cuatro correcciones en este dibujo para aumentar la longitud de cuatro patas. Ahora sabemos que el desarrollo procede de acuerdo con un programa en el que basta con hacer un solo cambio para que la longitud de las cuatro extremidades cambie y cambie de la misma manera.
Alexander Markov
