Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 18
Lekcja 1: Rozwój & różnicowanieWprowadzenie do biologii rozwoju
W jaki sposób organizm przechodzi od pojedynczej komórki do czegoś tak złożonego jak żaba, mucha lub człowiek? Poznaj podstawowe zasady biologii rozwoju. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Organizm wielokomórkowy rozwija się z pojedynczej komórki (zygoty) w zbiór wielu różnych typów komórek, zorganizowanych w tkanki i narządy.
- Rozwój obejmuje podział komórek, tworzenie osi ciała, rozwój tkanek i narządów oraz różnicowanie komórek (uzyskanie ostatecznej tożsamości typu komórki).
- Komórki podczas rozwoju używają zarówno wewnętrznych, czyli odziedziczonych informacji oraz zewnętrznych sygnałów od sąsiadów, aby „zdecydować” o swoim zachowaniu i tożsamości.
- Wraz z zaawansowaniem procesu rozwoju, komórki zwykle stają się coraz bardziej ograniczone w swoim potencjale rozwojowym (typach komórek, które mogą wytwarzać).
Wprowadzenie
Ty, mój przyjacielu, jesteś chodzącym, rozmawiającym, myślącym i uczącym się zbiorem ponad
Rozwój: Szerszy punkt widzenia
Podczas rozwoju człowiek lub inny organizm wielokomórkowy przechodzi niesamowitą transformację, przynajmniej tak radykalną jak metamorfoza gąsienicy zmieniającej się w motyla. W ciągu godzin, dni lub miesięcy organizm przekształca się z pojedynczej komórki zwanej zygotą (produktu połączenia spermy i komórki jajowej) w ogromny, zorganizowany zbiór komórek, tkanek i narządów.
W miarę rozwoju zarodka jego komórki dzielą się, rosną i migrują w określonym porządku, tworząc coraz bardziej rozbudowane ciało. Aby prawidłowo funkcjonować, ciało potrzebuje dobrze zdefiniowanych osi (takich jak głowa kontra ogon). Potrzebuje także specyficznego zbioru wielokomórkowych narządów i innych struktur, umieszczonych we właściwych miejscach wzdłuż osi i połączonych ze sobą w odpowiedni sposób.
Wraz z zaawansowaniem procesu rozwoju, komórki organizmu muszą się także specjalizować w wiele funkcjonalnie różnych typów. Twoje ciało (a nawet ciało noworodka) zawiera szeroką gamę różnych typów komórek, od neuronów przez komórki wątroby po komórki krwi. Każdy z tych typów komórek znajduje się tylko w niektórych częściach ciała - w niektórych tkankach niektórych narządów - gdzie jego funkcja jest potrzebna.
Jak rozwija się ten skomplikowany taniec komórkowy? Rozwój jest w dużej mierze pod kontrolą genów. Dojrzałe typy komórek organizmu, takie jak neurony i komórki wątroby, wyrażają różne zestawy genów, które nadają im ich unikalne właściwości i funkcje. W ten sam sposób komórki podczas rozwoju wyrażają również określone zestawy genów. Te wzorce ekspresji genów kierują zachowaniem komórek i pozwalają im komunikować się z sąsiednimi komórkami, koordynując rozwój.
W tym artykule i w następnych przyjrzymy się bliżej zasadom i przykładom rozwoju w biologii.
Niektóre podstawowe procesy rozwoju
Różne organizmy rozwijają się na różne sposoby, ale są pewne podstawowe rzeczy, które muszą się wydarzyć podczas rozwoju embrionalnego prawie każdego organizmu:
- Liczba komórek musi wzrastać poprzez podział
- Osie ciała (głowa - ogon, prawo - lewo itp.) muszą się wytworzyć
- Tkanki muszą się tworzyć, a narządy i struktury muszą przyjmować swoje kształty
- Poszczególne komórki muszą uzyskać ostateczną tożsamość typu komórki (np. neuron)
Dla jasności, procesy te nie są oddzielnymi zdarzeniami, które następują jeden po drugim. Odbywają się w tym samym czasie, w którym rozwija się zarodek.
Na przykład różne osie ciała (takie jak głowa-ogon i lewy-prawy) są ustalane w różnym czasie podczas wczesnego rozwoju, podczas gdy komórki zarodka dzielą się w tle. Podobnie, tworzenie narządu wymaga podziału komórki, aby zbudować ten narząd, a także
różnicowania (komórka przyjmuje swoją ostateczną tożsamość), aby zapewnić, że właściwe komórki tworzą właściwe części narządu.
Źródła informacji o rozwoju
Skąd komórki wiedzą, co powinny robić podczas rozwoju? To znaczy, skąd komórka wie, kiedy i jak migrować, dzielić się lub różnicować? Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje informacji, które kierują zachowaniem komórek:
- Wewnętrzne informacje są dziedziczone z komórki macierzystej poprzez podział komórki. Na przykład komórka może odziedziczyć cząsteczki, które „powiedzą” jej, że należy do linii komórek nerwowych lub wytwarzających komórki nerwowe.
- Zewnętrzne informacje są odbierane z otoczenia komórki. Na przykład komórka może otrzymywać sygnały chemiczne od sąsiada, instruujące ją, aby stała się szczególnym rodzajem fotoreceptora (neuronu wykrywającego światło).
Podczas rozwoju, komórki często wykorzystują zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne informacje, aby podejmować decyzje dotyczące ich tożsamości i zachowania. Oczywiście tak naprawdę nie „decydują”, myśląc o problemie tak jak ty lub ja! Zamiast tego komórki podejmują decyzje w sposób podobny do kalkulatora lub komputera: wykorzystując geny i białka do wykonywania operacji logicznych, które obliczają najlepszą odpowiedź.
Różnicowanie, określenie typu komórki i komórki macierzyste
W trakcie rozwoju, komórki stają się coraz bardziej ograniczone w swoim „potencjale rozwojowym”.
Na przykład ludzka zygota może dać początek wszystkim typom komórek ludzkiego ciała, a także komórkom tworzącym łożysko. Używając słownictwa z dziedziny komórek macierzystych, ta zdolność do tworzenia wszystkich typów komórek ciała i łożyska czyni zygotę totipotencjalną. Jednak po wielu rundach podziału komórek, komórki zarodka tracą zdolność do tworzenia komórek łożyska i stają się bardziej ograniczone w swoim potencjale (stają się pluripotencjalne)
Ostatecznie komórki zarodka zostają podzielone na trzy różne grupy znane jako listki zarodkowe: mezodermę, endodermę i ektodermę. Każdy listek zarodkowy w normalnych warunkach tworzy własny zestaw tkanek i narządów.
Gdy komórki warstwy zarodkowej dzielą się, wchodzą w interakcje z sąsiadami i odczytują własne informacje wewnętrzne, ich „możliwości” różnicowania się stają się coraz węższe. Początkowo komórki mogą ulec stopniowej specjalizacji, czyli zostać przeznaczone na określony cel, ale mogą się przełączać między typami komórek, biorąc pod uwagę właściwe sygnały. Następnie mogą zostać określone co do typu komórki, co oznacza, że są nieodwracalnie przywiązane do określonej ścieżki. Po określeniu typu komórki, nawet jeśli komórka zostanie przeniesiona do nowego środowiska, będzie się różnicować do typu komórki, do której została przypisana
W końcu większość komórek w ciele różnicuje się czyli przyjmuje stałą, ostateczną tożsamość. Przykłady zróżnicowanych typów komórek w ludzkim ciele obejmują neurony, komórki wyściełające jelito czy makrofagi, które pochłaniają bakteryjnych najeźdźców w układzie odpornościowym. Każdy zróżnicowany typ komórki ma określony wzór ekspresji genów, który stabilnie utrzymuje. Geny ulegające ekspresji w danym typie komórki określają białka i funkcjonalne RNA potrzebne dla tego konkretnego typu komórki, nadając mu odpowiednią strukturę i funkcję do wykonywania swojej pracy.
Na przykład, powyższy schemat przedstawia dwa geny, które są różnie wyrażane w komórce wątroby i w neuronie. Jeden gen, kodujący część enzymu rozkładającego alkohol i inne toksyny, ulega ekspresji tylko w komórce wątroby (a w neuronie nie). Drugi gen, kodujący neuroprzekaźnik, ulega ekspresji tylko w neuronie (a w komórce wątroby nie). Wiele innych genów również ulegałoby różnej ekspresji w tych dwóch typach komórek.
Dojrzałe komórki macierzyste
Nie wszystkie komórki w ludzkim ciele różnicują się. Niektóre komórki w ciele dorosłego zachowują zdolność do dzielenia się i wytwarzania wielu typów komórek. Należą do nich dojrzałe komórki macierzyste, które są zwykle multipotencjalne: mogą wytwarzać więcej niż jeden typ komórek, ale też nie szeroki zakres typów komórek
Cechą charakterystyczną komórek macierzystych jest to, że podlegają asymetrycznemu podziałowi komórek, wytwarzając dwie komórki potomne, które różnią się od siebie. Jedna córka pozostaje komórką macierzystą, to proces zwany samoodnawianiem (dzieląca się komórka „odnawia się”, tworząc funkcjonalnie identyczną córkę). Druga komórka potomna przybiera inną tożsamość, albo różnicując bezpośrednio do potrzebnego typu komórki, albo przechodząc przez dodatkowe podziały, aby uzyskać więcej komórek.
Możesz dowiedzieć się więcej na temat rozwoju i zobaczyć więcej przykładów panujących zasad i procesów w tych artykułach:
- Rozwój żaby: dowiedz się więcej o wczesnym rozwoju żab. Bonus: zobacz eksperyment, który czyni traszkę dwugłową!
- Geny homeotyczne: dowiedz się więcej o genach "głównego regulatora", które określają całe segmenty lub struktury ciała. Bonus: zobacz muchę z nogami wyrastającymi z głowy!
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji