1. 6 Биологическая самоорганизация - Онтогенез

            Согласно А. Маркову (http://evolbiol.ru/nes05.htm)

спермий и яйцеклетка сливаются образуя оплодотворенное яйцо(зигота). Зигота человека содержит двойной набор хромосом(23 от папы и 23 от мамы). Этот набор называется геномом. Хромосомы это отрезки ДНК на которых располагаются гены. Зигота делится несколько раз, при этом делении(митоз) каждая клетка получает полный геном. 
            Образующиеся при метозе клетки не растут, но объеденены в комочек(морула). Затем морула прикрепляется к стенке матки, где и начинается развитие.
             Сложный  процесс  митоза  начал активно  изучаться  только  в 1970  году. При  митозе  происходит  копирование  хромосом,  расхождение  копий к  полюсам  клетки и затем  клетка делится на две. Процесс  занимает 1-2часа. Только  благодаря  тому,  что  все  клетки  после  деления  обладают  одинаковыми  геномами  оказывается  возможным  построение  из  них  сложного  организма.  Процесс  построения  организма   напоминает  процесс  честного  кооперативного  развития. Здесь  нет  конкуренции,  потому  естественному  отбору  не  за  что зацепиться - все  клетки  имеют  одинаковый  набор  генов.
            Для  действия  отбора  нужны  различия,  чтобы  было  из  чего  выбирать.  В  природе  такие  различия  даёт  изменчивость  организмов, принадлежащих  одному  виду. Дело  в  том,  что  в  генофонде  вида  имеется  много  вариантов (аллелей)  одного  гена. Процесс  образования  половых клеток   (мейоз)  содержит  в  себе  случайный процесс  выбора  аллелей, на  гомологичных  хромосомах,  правда  только  из  родительского  набора. Это  и  даёт  основной  поток  изменчивости,  а  не  мутации,  которые  сравнительно  редки. 
   Кроме  того,  ещё  одним  источником  изменчивости  является  процесс  порождения одним  генотипом под  влиянием  внешних  условий   различных  фонотипов(результатов),   что  тоже  позволяет  работать  отбору.   
 Например.  Вы  делаете  куличи  из  песка  с  помощью  одной  формы  (аналог  генотипа),  но  не  все  куличи  получаются  одинаково  хорошими. (куличи  это  аналог  фенотипа).  Поэтому  вы  можете  отобрать  самые  удачные.  Если  бы  все  куличи  были  одинаково  хороши,  то  отбирать  было  бы  невозможно.
 Возвратимся  к  клеткам.
 

             Клетку  можно представить  в виде завода  по производству разного рода молекул - гормонов, нейромедиаторов, цитокинов, ферментов и других молекул.
Нобелевская  премия по физиологии и медицине за 2013 год была присуждена работающим в США Джеймсу Ротману, Ренди Шекману и Томасу Зюдофу за открытие механизма, перемещения  молекул  с помощью  мембранных пузырьков- везикул  в которые они упаковываются  и снабжаются  «адресом»  для  перемещения.

   Ренди Шекман выделил три класса генов, регулирующих  движение внутри клетки. Эти  гены,  выявленные на предках всего живого- дрожжах,  работают и у млекопетающих.  В  клетках  есть  транспортная инфраструктура,  которой  указанные  гены  управляют.
   Джеймс Ротман, обнаружил как  везикулы  снабжаются  «адресом», благодаря которому  гарантируется, что «груз» будет доставлен точно по назначению.
    Томас Зюдхоф  выявил механизм, отвечающий за пунктуальность доставки  везикул в нервных клетках и позволяющий «пузырькам» высвобождать своё содержимое по команде.
          Таким  образом, производимые молекулы в клетке  попадают в нужный пункт точно по расписанию. В  случае нарушения этого порядка  неизбежно возникают заболевания - неврологическимие, диабет, расстройства иммунной системы и т.д. Так обстоит дело внутри клетки и в частности в процессе  первоначального роста.  Эти процессы отрабатывались  миллиарды лет. 

            Геном человека в своем составе содержит около 3млрд генов. Но принимает участие в построении организма человека(синтезе белков) порядка 40тыс генов. Остальные условно называют мусорными. Их назначение пока обсуждается. Геном почти полностью определяет строение индивидуума(морфологию) и другие его свойства. Это почти портрет.
            Сначала полагали, что геном содержит что то вроде чертежа индивидуума. Чертёж и объект созданный по нему должны иметь взаимно однозначное соответствие. Но в природе не совсем так происходит. Результат (фенотип) отличается от генотипа из за влияния на его развитие внешних условий.

            Более правдоподобное сравнение получим, если представим генотип в виде рецепта из поваренной книги. Пусть два повара готовят по одному рецепту. Результат часто весьма отличается. Потому, что бывают хорошие повара, а бывают не очень.
Но и рецепты бывают разными. В одном написано – положить продукт 1, варить 10 мин., затем добавить 100 г продукта 2, перемешать и варить еще 5 мин. Такой рецепт подобен чертежу. В нем отсутствуют обратные связи.
При приготовлении более сложных блюд, в рецепте должны быть представлены условные операторы типа - Если увидишь в процессе готовки это, то сделай действие 1, а если обнаружишь это, то выполняй действие 2.
По существу второй рецепт это интерактивная программа действий, которая больше похожа на геном.
Но конечно при таком количестве генов, которое есть в геноме, программа получается очень сложной.

           Вернемся к комочку клеток — зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном.  Геном определяет все свойства клетки, это её «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, и так далее.

          Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.
Основные действия, которые делают клетки, — это включение или выключение определенных генов. Это меняет свойства клетки, она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.

          Правила поведения клетки «сделаны» из рецепторов, транскрипционных факторов, энхансеров, сигнальных молекул и белков, осуществляющих синтез этих молекул. Например, правило «если получен сигнал А, начни выделять вещество Б», может быть сделано из рецептора в-ва А, который активирует транскрипционный фактор В, который прикрепляется к энхансеру Г, расположенному около гена Д, который кодирует фермент, отвечающий за синтез вещества Б.

          Как же получается, что одинаковые клетки зародыша, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что они на самом деле находятся в разных условиях — это получается само собой в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества «А» высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества «А»  мало.

           Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества, запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.

            Итак, основной принцип, лежащий в основе онтогенеза многоклеточных, состоит в том, что онтогенез – это процесс самосборки упорядоченных многоклеточных структур, формирующихся за счет согласованного поведения множества индивидуальных модулей (клеток), причем все эти модули изначально следуют одному и тому же набору «правил поведения», закодированному в геноме, причем в поведении этих клеток присутствует неустранимый элемент случайности.

            Согласованное поведение не подразумевает, что модули между собой общаются и согласовывают свое поведение. Представьте себе, что по летнему городу гуляют люди, некоторые по делам, другие просто отдыхают. Но вот вдруг пошел дождь, и люди все попрятались – кто под близ расположенные крыши, кто в магазин, кто достал зонт. Не договариваясь, но учитывая поведение друг друга люди выполнили однотипные действия по защите себя от дождя. Такое поведение и называем самосогласованным.  Все  люди  не  побежали  прятаться  под  одну  крышу -  каждый  сам  нашёл  себе  убежище.

            Геном зиготы не содержит ничего похожего на «чертеж» организма. Между элементами чертежа и элементами изделия, как правило, существует соответствие «один к одному»(изоморфизм). Каждый элемент чертежа соответствует определенному элементу изделия и наоборот. В геноме зиготы ничего такого нет. Между частями (признаками) организма и частями генома (генами, локусами) нет соотношения «один к одному»: большинство признаков зависит от множества генов и наоборот.

          Если бы развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы труднее эволюционировать. Лет сто назад, когда мы еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось непонятным. Например, некоторые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно — ведь для этого нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.
           Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. Ведь организм (фенотип) получается в результате самосборки.

           Ход онтогенеза определяется генно-регуляторными сетями (каскадами). В них участвуют сигнальные белки и др. вещества («морфогены» выделяются клеткой в окружающее межклеточное пространство), рецепторы, транскрипционные факторы, малые регуляторные РНК. Энхансеры (сайты связывания ТФ) в регуляторных областях генов-регуляторов – важный компонент «генетической программы развития». От энхасеров зависит, какими переключателями (а значит, где и когда) будет включаться данный ген.
У всех животных за разметку эмбриона вдоль передне-задней оси отвечает особое семейство генов – HOX-гены. Сначала их нашли у дрозофилы, затем у всех животных.

            Открытие сходных Hox-генов у разных типов животных заставило по-новому взглянуть на морфогенез животных и его преобразования в ходе эволюции. Стало ясно, что, изменив один ген или время (или место) его включения, можно трансформировать, создать, удалить или перенести в другое место сразу целый орган, сохранив при этом общий план строения.
Hox-гены у дрозофилы, человека и многих других животных располагаются в хромосоме в строгом порядке, в том самом, в котором происходит дифференцировка основных частей тела двусторонне симметричного животного. Сначала у раннего эмбриона начинают работать гены, отвечающие за строение органов на голове, затем на груди, затем гены начинают оформлять и хвостовую часть.
          Кроме НОХ-генов, существует много других регуляторов развития. Для большинства характерна плейотропность. Плейотропность – множественность функций и фенотипических проявлений. Один и тот же ген-регулятор (ТФ) может регулировать несколько совершенно разных процессов на разных стадиях эмбрионального развития. Это «профессиональные переключатели», которым в принципе все равно, что переключать (был бы у регулируемого гена нужный энхансер). Поэтому в ходе эволюции под их управление легко могут попасть новые «подпрограммы». Так возникают новые признаки.

           Итак, онтогенез - это процесс самоорганизации, в ходе которого из согласованных действий множества одинаково запрограммированных клеток, следующих сравнительно простому набору правил поведения, «самозарождаются» сложные многоклеточные структуры.
Наличие в программе развития отрицательных обратных связей (ООС) является необходимым условием для формирования сколько-нибудь сложного, упорядоченного фенотипа.

            Для стабилизации признака, нестабильно воспроизводящегося в онтогенезе, часто нельзя обойтись без усложнения генетической программы развития, без добавления в нее дополнительных регуляторных контуров с ООС.
Отбор на стабильность должен вести к усложнению программы развития. То есть отбор, просто отсеивающий «уродцев», в перспективе способствует развитию новых генно-регуляторных контуров, повышающих стабильность воспроизведения «нормального» фенотипа.

              Эти неизбежно возникающие отрицательные обратные связи и специальные стабилизирующие механизмы придают онтогенезу помехоустойчивость (или эквифинальность – т.е. одинаковый конечный результат при разных нарушениях в ходе развития). ООС позволяют онтогенезу компенсировать разные непредвиденные помехи и приходить, невзирая на них, к более или менее «нормальному» итоговому фенотипу. Фокус тут, в том, что регуляторный контур, развившийся для компенсации каких-то помех, возникающих по некоторой одной причине, будет с тем же успехом компенсировать такие же помехи, возникающие по любым другим причинам. В том числе – по причинам, которые не были изначально предусмотрены программистом (адаптациями  генома).

 В   результате морфологическое разнообразие, порождаемое мутациями, оказывается в целом гораздо меньше, чем разнообразие самих мутаций. Это позволяет говорить о «канализированности» эволюционных преобразований онтогенеза, о наличии в нем ограниченного числа  альтернативных путей.