Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Противоречия – двигатель прогресса?

Для тех, кто помнит из программы института, что митоз - это обычное деление клеток, с точным воспроизведением, стоит задуматься о следующем. Дескать, получившиеся клетки являются точными копиями материнской (ДНК расплетается, потом наращивается и т.д. - здесь генетиков много, сами знаете.) Но это утверждение ведёт к явному противоречию с фактами и здравым смыслом: ведь любой организм происходит из одной-единственной клетки, и если бы они были полностью одинаковы, то и развиваться должны полностью одинаково - невозможно получение организма из разных по свойствам клеток, должна получаться одинаковая биомасса. Где записано, что одна клетка должна стать мышечной, а другая нервной? с точки зрения общих понятий - всякая информация должна иметь материальный носитель. Где лежит информация, заставляющая клетки развиваться по-разному?

Во-первых, механизм деления не вполне точен, просто, количество точных копий клеток должно соответствовать условию устойчивого воспроизводства, дабы случайные глюки не погубили популяцию (отрицательные мутации), а иногда даже способствовали жизнеспособности (положительные мутации). Во-вторых, клетка - открытая система, а значит, внешнее воздействие на разные клетки, пусть и дочерние к исходной, будут различны. Разным будет и набор возможных мутаций. В случае дрозофилы, например, возникает градиент концентрации ряда продуктов генов, в направлении от спины к животу и от головы к попе. В зависимости от этих концентраций клетки понимают в каком сегменте и в какой части они находятся и соответственно дифференцируются. Если эти концентрации изменить, получаются уродцы, например можно сделать муху с ногами вместо антенн на голове (ген antennapedia из homebox'ов)

Однако тут тоже улавливаем противоречие. Ведь ответ сводится к тому, что разные пути развития запрограммированы пространственными различиями - но пространственные различия не могут быть такими тонкими, чтобы безошибочно воспроизводить пути развития (ведь клетки никогда не могут быть идентичными - они растут в разных условиях, при разном воздействии окружающей среды). А ноги на голове в естественных условиях даже у части популяции почему-то не растут! Приходим к выводу, что мутации случайны, а алгоритм изменения путей развития клеток организма устойчив и всегда один и тот же - в течение десятков делений. В чём причина этой устойчивости - вот в чём вопрос.

На уровне университетского курса читаем, как происходит эмбриогенез дрозофилы. Там все до каждого гена изучено и размусолено - какие градиенты и когда существуют, на что влияют. Какие белки работают, какие транскрипционные факторы к каким генам прилипают. Генетики набили руку и на сегодняшний день способны вмешаться в ход событий и на заказ сделаеть муху с лапками на спине и головой вместо попы. Безусловный прорыв в науке!

Вот и вопрос: в каком месте в клетке записано: "я часть ноги" и почему эта запись возникает в голове? Почему после того, как одна из клеток головы вдруг сдуру решает, что она - часть ноги, все остальные клетки, получающиеся после деления, не просто решают, что они - части ноги, а определяют, что именно эта часть, а не другая - нога ведь очень сложна по устройству.

Клетка находится в равновесии и вывести ее из равновесия может либо слабый специфический сигнал (фотон попавший в рецептор) или сильный неспецифический - нагрели до 100 градусов и клетка лопнула. Рассмотрим на более простом примере светочувствительности у дрозофилы.

Фотон с определенной энергией попадает в молекулу родописина, которая превращается в молекула метародопсина. Метародопсин приводит к активации белка G-протеина (альфа) за счет присоединения к нему фосфата. Это приводит к активации фермента - фосфолипазы Ц, причем не одной молекулы, а множества молекул. Этот фермент превращает фосфатидилинозитол в инозитолтрифосфат и диацилглецирол. Опять-таки одна молекула фермента превращает целую кучу молекул фосфатидилинозитола. Все это приводит к открытию кальциевого канала TRP. Повышается уровне кальция в клетке и активируется фермент протеин киназа Ц.

Итак в каскаде есть множество элементов, усиливающих сигнал. Например, фосфолипаза Ц образует множество молекул инозитолтрифосфата.

Для наглядности. Допустим, Вам завязали глаза и привели в определенное место, супермаркет. Ваша задача – узнать, в каком Вы отделе. Справа доносится сильный запах еды макдональдса, а слева в отдалении свежий воздух. Там, где Вы стоите, пахнет кожей. Вы знаете, что в этом месте между макдональдсом и выходом находится обувной магазин, стало быть Вы в обувном.

Если подходить к вопросу с точки зрения математики, будет справедлива аналогия с нейросетью.

Там тоже вначале все элементы одинаковы —- одинакова их программа. А затем в зависимости от подаваемых на вход данных (которое можно сравнить с действием среды) и связей с другими элементами ("соседние" клетки) элементы меняются. Таким образом, получается каскад, одно тянет за собой другое. Часть информации содержится в ДНК, часть во внешних условиях. И обе информации необходимы для развития клетки.

ДНК - это допустим части слов

соба-

воро-

коро-

А внешние условия - один из слогов. Если это слог ка , тогда будет собака.

Если на - ворона, если ва - корова. Т.е одна и та же ДНК , может давать разное развитие в зависимости от условий внешний среды. При этом, однако, эти изменения под воздействием внешней среды КАК ПРАВИЛО нигде не наследуются.

Вот вопрос, какие влияния окружающей среды действительно наследуются, а какие нет, актуален до сих пор. Идём дальше.

Клетки внутри одного организма имеют одинаковый набор генов - ДНК. Исключения есть, например лимфоциты млекопитающих, ну + редкие случайные мутации и вставки вирусов или транспозонов.

Но по сути набор генов одинаковый и поэтому воспроизведение называют точным.

Однако, в разных клетках, могут присутствовать разные транскрипционные факторы, концентрации которых отражают историческую судьбу этой клетки.

Кроме того в клетке могут быть модификации ДНК, могут быть разные белки и т.д.

То есть, несмотря на генетическую идентичность клетки по сути могут считаться разными.

Возвращаемся к началу, потому что опять запутались. Но ведь концентрации этих самых факторов должны быть жестко постоянны. То есть напрашивается мысль о том, что они наследуются. А как? Что является носителем? Новый организм развивается все же из одной клетки, зиготы. Да потом она делится, образуются разные стадии. Но делится-то она путем митоза. Другого деления вроде как и нету (кроме мейоза). Опять же вопрос. Если есть ферментативная активность, где она записана? Получается, что когда клетка делится, внутри нее должна быть какая то информация о том, на что она должна делится. Вопрос где эта информация? И второй вопрос, коль получается что делится она вроде как на одинаковые части, как потом образуется функциональная дифференциация?

Представьте себе библиотеку с книгами на разных языках. Это будет ядро зиготы. И представьте себе читателей этой библиотеки, знающих один или несколько языков, но не все, причём проживают они компактно и чётко локализовано - каждая национальность в своём районе. Это аналогия цитоплазмы яйца с чёткими градиентами морфогенов. После разделения бластомеры получают полную "библиотеку", но не всех "читателей". Конечно, это очень натянутая аналогия. Но первоначальная информация "каким путём пойти" определяется именно структурой цитоплазмы зиготы. А от чего зависит структура цитоплазмы зиготы? Этот вопрос должен навести нас на мысль о том, что мы ходим по кругу.

Далеко не все механизмы дифференциации тканей - их типы, время их возникновения, геометрические параметры - изучены в абсолютной форме. Даже один из базовых механизмов - а именно гистоновой регуляции - открыт совсем недавно. А ведь именно он во многом ответственен за открытие или закрытие определенных участков генома, да еще во взаимосвязи с окружающими условиями. Но на то и наука, чтобы решать новые задачки - и если есть какие-то "белые пятна", с высокой степенью вероятности они будут изучены в дальнейшем.

А теперь и побочная цель, которая имелась в виду, когда поднималась эта тема. Сегодня уже никто не назовет генетику лженаукой, но в головах большинства отношения между наукой и лженаукой понимаются совершенно неверно. Люди считают науку чем-то вроде танка, с отличным мотором и крепкой бронёй, сидя в котором очень удобно давить всяких мелких червячков лженауки, попадающихся на пути.

А лженаука гнездится прежде всего в нас самих.

Её источники - недомыслие, лень, трусость, недостаток научной честности, желание показать себя с лучшей стороны без достаточных оснований и т.д. Выясняется, что науки-то не так много, а лженаука вокруг и господствует.

Я знаю множество людей, которые вошли в науку полные задора и здоровой агрессии, желания что-то доказать, что-то надстроить, а получив подачку от официальной псевдонауки в виде гранта или места под её электрическим солнцем, превратились в обычных смирных учёных - без претензий, без нахальства, примерно как все.

А некоторым повезло – они встретили человека, который своим примером показал, что смирно сидеть нельзя, что если хочешь добиваться какой-то правды (в науке или в чём-то другом) - надо вылезать из окопа и подставляться под пули. А лженаука как раз и будет ехать на тебя на танке.

Мораль такова – не бойтесь задумываться, сопоставлять и сомневаться. Прогресс питается именно действиями.

Спасибо Виктору Раковичу за раскрутку темы, Александру Панчину, Дмитрию Пащенко, Вячеславу Рогожину, Леониду Эрштейну и другим за ликбез

Литература интересующимся вопросом с точки зрения биологии в целом:

Гилберт "Биология развития".

Ченцов "Введение в клеточную биологию" http://nehudlit.ru/books/detail6246.html

Источник: nehudlit.ru

Комментарии: