Ceux qui ne sont pas familiers avec la biologie, la génétique s'intéressent à la façon dont les cellules du corps "comprennent" que certaines doivent devenir des cheveux, d'autres des os, d'autres - des cerveaux, etc.? Les organes sont formés séquentiellement, certains continuent à se former tout au long de la vie, d'une manière ou d'une autre, il faut donner l'ordre «commencer à se former» et «terminer la formation». Et si ces équipes ne sont pas formées à partir d'un seul centre, le chaos va surgir.
Où est ce centre alors?
Cette question n'est pas du tout enfantine. En fait, ce n'est pas une, mais plusieurs questions, et elles touchent à tous les problèmes les plus importants, dont la solution est traitée par une science vaste, très complexe et en développement rapide: la biologie du développement. Il est tout simplement impossible de répondre correctement et en détail à ces questions en quelques mots. Les réponses à ces questions sont contenues dans des livres volumineux et épais et des milliers d'articles scientifiques. Une grande partie de cette science n'est pas encore claire et de nouvelles découvertes sont faites presque tous les jours.
Mais certains principes généraux peuvent être essayés pour expliquer.
Commençons par le "centre unique", sans lequel le "chaos" surgira. Étonnamment, ce n'est pas le cas. De nombreuses cellules de division peuvent se comporter de manière assez intelligente et former des structures complexes, même si elles ne disposent pas d'un seul centre de contrôle. Ces processus sont appelés «auto-organisation». Malheureusement, l'esprit humain est si structuré qu'il lui est terriblement difficile de comprendre de tels processus. Quand nous rencontrons des exemples d'auto-organisation, cela nous semble toujours une sorte de miracle inexplicable. Par exemple, comment se forment de beaux motifs de glace sur du verre ou des flocons de neige à partir de molécules de vapeur d'eau en mouvement aléatoire? Où est stocké le «programme flocon de neige» ou son «plan directeur»? Il n'y a pas de dessin nulle part, mais le programme existe, ce sont les propriétés physiques de la molécule d'eau, dont dépend la formation des cristaux de glace.
Mais revenons au groupe de cellules - le petit embryon qui s'est formé à partir de l'œuf à la suite des premières divisions. Chaque cellule de l'embryon a le même génome (ensemble de gènes). Le génome détermine toutes les propriétés d'une cellule, c'est son "programme de comportement". Le programme pour toutes les cellules de l'embryon est le même. Cependant, les cellules commencent rapidement à se comporter de différentes manières: certaines se transforment en cellules cutanées, d'autres en cellules intestinales, etc. Cela est dû au fait que les cellules échangent des informations - elles s'envoient des signaux chimiques et changent de comportement en fonction des signaux qu'elles ont reçus de leurs voisins. Les signaux peuvent aussi être physiques: les cellules peuvent «sentir» leurs voisins là où elles tirent ou poussent. De plus, certains signaux proviennent du monde extérieur. Par exemple,les cellules embryonnaires des plantes détectent la gravité et en tiennent compte pour décider comment se comporter. Par exemple, les cellules qui ont des voisins uniquement du haut commencent à se transformer en racine, et celles qui ont des voisins uniquement du bas - en une tige. Enfin, l'ovule peut avoir un simple «marquage» dès le début: l'un de ses pôles peut différer de l'autre par la concentration de certaines substances.
Le programme de comportement pour toutes les cellules est initialement le même, mais il peut être assez complexe et se composer de plusieurs ensembles séparés de règles. Lequel des ensembles de règles qu'une cellule donnée exécutera dépend des signaux reçus par la cellule. Chaque «règle» distincte ressemble à ceci: «si telle ou telle condition est remplie, faites telle ou telle action». Les principales actions des cellules sont d'activer ou de désactiver certains gènes. L'activation ou la désactivation du gène modifie les propriétés de la cellule et elle commence à se comporter différemment, à réagir différemment aux signaux.
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Comment se fait-il que les cellules qui ont le même programme de comportement et qui sont apparemment dans les mêmes conditions se comportent toujours différemment? Le fait est que les cellules de l'embryon sont en fait dans des conditions différentes - cela se produit tout seul dans le processus de division cellulaire. Quelqu'un s'est avéré être à l'intérieur, quelqu'un à l'extérieur, quelqu'un en dessous, quelqu'un au-dessus, chez quelqu'un la concentration de substance A est élevée (parce que cette cellule a été formée à partir de cette partie de l'ovule où il y avait beaucoup de cette substance), et dans qui -que la substance A est petite.
Les cellules peuvent également avoir un «compteur de division» qui leur indique combien de fois l'œuf s'est déjà divisé. Ce compteur est également chimique: au départ, il y avait certaines substances dans l'œuf, dont l'apport n'est pas reconstitué au cours du développement de l'embryon, et par combien de ces substances sont restées dans la cellule, on peut comprendre combien de divisions se sont écoulées depuis le début du développement.
Le programme de comportement de cellule peut contenir, par exemple, les commandes suivantes:
«Si vous êtes dehors, et si la concentration de substance A en vous est telle ou telle (se situe dans telle ou telle limite), et si la concentration de substance B autour de vous est nulle, et si 10 divisions se sont écoulées depuis le début du développement, puis commencez à excréter la substance B."
À quoi aboutira l'exécution d'une telle commande? Cela conduira au fait qu'à un certain moment (après dix divisions) une seule cellule apparaît à la surface de l'embryon, sécrétant la substance B. Elle sera située à une distance strictement définie de l'un des pôles de l'embryon, car dans notre exemple, la substance A servait à l'initiale marquage des ovocytes. Par conséquent, par la concentration de substance A, la cellule peut déterminer à quelle distance des pôles de l'embryon elle se trouve. Pourquoi n'y a-t-il qu'une seule cellule qui sécrète la substance B? Mais parce qu'il y avait une instruction: "Si la concentration de substance B autour de vous est nulle." Dès que la première cellule dans laquelle les conditions fixées sont remplies commence à libérer la substance B, la concentration de cette substance cessera d'être nulle, et par conséquent, d'autres cellules ne commenceront pas à la libérer.
Et que se passe-t-il si nous supprimons l'instruction «Si la concentration de substance B autour de vous est nulle» du programme? Ensuite, la substance B commencera à être sécrétée non pas par une seule cellule, mais par une bande entière de cellules encerclant l'embryon à une certaine distance des pôles. La largeur de la ceinture et sa position (plus proche ou plus éloignée du pôle où la concentration de A est maximale) dépendra des concentrations de substance A indiquées dans l'instruction «Si la concentration de substance A en vous est telle ou telle».
Maintenant, notre embryon est marqué beaucoup plus compliqué et intéressant qu'avant. Il a une "partie avant" dans laquelle il y a beaucoup de A, et la concentration de B augmente d'avant en arrière; il a une ceinture centrale, où la concentration de B est maximale; et il a un dos, où il y a peu de A et où la concentration de B diminue d'avant en arrière. Notre embryon s'est subdivisé en parties nettement délimitées les unes des autres, dans lesquelles les cellules sont dans des conditions différentes et vont donc réaliser différents sous-programmes de leur programme général d'origine.
Nous avons subdivisé l'embryon en sections antérieure, moyenne et postérieure. Ils peuvent devenir, par exemple, la tête, le torse et la queue. Mais j'aimerais aussi comprendre où sera son dos et où est son ventre. Comment faire? C'est très simple, nous sommes déjà passés par là. Une instruction est nécessaire qui conduit à l'apparition d'une seule cellule ou d'un petit groupe de cellules sécrétant une substance (par exemple, B) sur n'importe quel «côté» de l'embryon, quelque part au milieu entre la tête et la queue. Et que cette substance B commence le programme pour la croissance d'une belle crête dorsale verte là où il y en a beaucoup, et le programme pour la formation d'un ventre rose tendre là où il est rare.
Lorsque l'embryon est déjà si bien et en détail «marqué», chaque groupe de cellules peut facilement déterminer où il se trouve, et activer le sous-programme préparé pour ce cas (un ensemble de règles de comportement).
Au cours du développement de l'embryon, il est vrai qu'ici et là apparaissent des «centres de contrôle» spéciaux - des groupes de cellules qui libèrent l'une ou l'autre substance, qui sert de signal pour d'autres cellules et affecte leur comportement. Mais en même temps, toutes les cellules se comportent toujours en stricte conformité avec le programme génétique d'origine, qui est le même pour toutes. Les centres de contrôle surgissent d'eux-mêmes, par auto-organisation, personne ne les y insère intentionnellement. Et aucun «leadership centralisé unifié», encore moins significatif, raisonnable, n'est requis pour cela.
Dans le développement d'animaux réels, tout est plus compliqué que dans notre exemple imaginaire, mais, curieusement, pas de beaucoup. Par exemple, chez la plupart des animaux, une dizaine de substances de signalisation sont utilisées pour le «marquage longitudinal» de l'embryon (dans notre exemple, nous avons réussi à en faire deux - A et B). Un groupe spécial de gènes, les soi-disant gènes Hawks, est responsable de la production de ces substances. Et pour séparer l'embryon en tissus (nerveux, musculaire, épithélial, etc.), trois autres douzaines d'autres substances de signalisation sont utilisées - elles sont appelées microARN. Mais ce ne sont que les régulateurs les plus importants du développement, et il en existe encore de nombreux auxiliaires, et les scientifiques n'ont pas encore compris toutes leurs propriétés et fonctions.
Les substances de signalisation qui régissent le comportement des cellules de l'embryon sont très puissantes. Par exemple, si vous coupez la queue d'un têtard et déposez l'une de ces substances sur la plaie, au lieu d'une nouvelle queue, le têtard fera pousser un tas de petites pattes. De telles expériences cruelles ont été menées au début du 20e siècle. Ensuite, les généticiens se sont mis au travail, qui ont appris à changer le travail des gènes dans des parties individuelles de l'embryon. Y compris les gènes qui produisent des substances - les régulateurs du développement. L'une des découvertes les plus intéressantes des généticiens est que les gènes qui contrôlent le développement sont très similaires chez tous les animaux. Ils peuvent même être transplantés d'un animal à un autre et ils fonctionneront. Par exemple, si vous prenez un gène de souris qui active le sous-programme oeil de souris et le fait fonctionner dans le bourgeon de jambe d'une mouche,puis un œil commence à se former sur la jambe de la mouche. C'est vrai, pas l'œil d'une souris, mais celui d'une mouche.
Ainsi, nous avons réalisé qu'il n'y a pas de «modèle» d'un organisme adulte dans le génome, mais seulement un programme pour le comportement d'une cellule individuelle. L'organisme adulte «s'auto-organise» simplement du fait que chaque cellule suit strictement le même programme de comportement. Les mathématiciens disent qu'il serait beaucoup plus difficile de coder un plan d'un animal adulte dans le génome qu'un tel programme. Ce programme, assez curieusement, est lui-même beaucoup plus simple que l'organisme résultant. Et aussi, si notre développement ne procédait pas par auto-organisation basée sur un programme, mais selon un schéma directeur, il nous serait beaucoup plus difficile d'évoluer.
Il y a cent ans, alors que les scientifiques ne connaissaient toujours pas les lois du développement embryonnaire, beaucoup d'évolution leur paraissait incompréhensible. Par exemple, certains scientifiques se sont demandé comment, dans le processus d'évolution, les quatre pattes pouvaient s'allonger en même temps - après tout, pour cela, pensaient-ils, il était nécessaire que les mutations changent simultanément la longueur des quatre pattes à la fois! En effet, si un dessin d'un organisme adulte était enregistré dans le génome, alors il faudrait apporter quatre corrections à ce dessin afin d'augmenter la longueur de quatre pattes. Nous savons maintenant que le développement se déroule selon un programme dans lequel il suffit de faire un seul changement pour que la longueur des quatre membres change, et change de la même manière.
Alexandre Markov
