Кіріспе

Организмдердің қалай дамуы мен өсуін зерттеу. Даму биологиясы – жануарлар мен өсімдіктердің өсу және даму процесін зерттейтін ғылым. Даму биологиясы регенерация, жыныссыз көбею, метаморфоз, сондай-ақ ересек организмдегі шешу жасушаларының өсуі мен дифференциациялануын да қамтиды.

Перспективалар

Жануарлардың эмбрионалды дамуына қатысы бар негізгі процестер: тіндердің үлгіленуі (аумақтық спецификация және үлгілі жасушалардың дифференциациясы арқылы); тіндердің өсуі; және тіндердің морфогенезі. Аумақтық спецификация – бастапқыда ұқсас жасушалардан тұратын шар немесе қабатта кеңістіктік үлгілерді құратын процестерге жатады. Бұл, әдетте, ұрықтанған жұмыртқаның бөліктерінде орналасқан цитоплазмалық детерминанттардың және эмбриондағы сигналдық орталықтардан шығатын индукциялық сигналдардың әрекеттесуін қамтиды. Аумақтық спецификацияның алғашқы кезеңдері функционалдық дифференциацияланған жасушаларды емес, организмнің белгілі бір аймағына немесе бөлігіне дамуға міндеттелген жасуша популяцияларын тудырады. Бұл транскрипция факторларының нақты комбинацияларының экспрессиясымен анықталады. Жасушалардың дифференциациясы – жүйке, бұлшықет, секреторлық эпителий сияқты функциялық жасуша түрлерінің қалыптасуымен тікелей байланысты. Дифференциацияланған жасушаларда жасушалық функциямен байланысты көптеген арнайы ақуыздар болады. Морфогенез – үш өлшемді пішіннің қалыптасуына қатысты. Ол негізінен жасушалық қабаттардың және жеке жасушалардың үйлесімді қозғалыстарын қамтиды. Морфогенез ерте эмбрионның үш бастама қабатын (эктодерма, мезодерма және эндодерма) құруда және ағзалардың даму кезінде күрделі құрылымдарды қалыптастыруда маңызды рөл атқарады. Тіндердің өсуі – тіндердің жалпы көлемінің ұлғаюын, сондай-ақ морфогенезге үлес қосатын бөліктердің (аллометрия) дифференциалдық өсуін қамтиды. Өсім көбінесе жасушалардың көбеюі арқылы, бірақ сондай-ақ жасушалардың мөлшерінің өзгеруі немесе жасушадан тыс материалдардың жиналуы арқылы жүзеге асады. Өсімдіктердің дамуы жануарлардың даму процестеріне ұқсас. Дегенмен, өсімдік жасушалары көбінесе жылжымайтындықтан, морфогенез жасушалардың қозғалысы болмай, дифференциалдық өсу арқылы жүзеге асырылады. Сондай-ақ, индукциялық сигналдар мен қатысты гендер жануарлардың дамуын бақылайтын гендерден өзгеше.

Ұрпақ биологиясы

Генеративтік биология — биологиялық морфологиялық пішіннің дамуын және эволюциясын басқаратын динамиканы зерттейтін генеративтік ғылым.

Жасушалардың дифференциациясы

Жасушалық дифференциация – даму барысында әртүрлі функционалды жасуша түрлерінің пайда болу процесі. Мысалы, нейрондар, бұлшық ет талшықтары және гепатоциттер (бауыр жасушалары) – дифференциацияланған жасушалардың жақсы белгілі түрлері. Дифференциацияланған жасушалар әдетте, олардың нақты функциясы үшін қажетті бірнеше ақуызды көп мөлшерде өндіреді, бұл оларға жарық микроскопымен танылуға мүмкіндік беретін ерекше сыртқы түрін қалыптастырады. Бұл ақуыздарды кодтайтын гендер жоғары деңгейде активті болады. Әдетте, олардың хроматин құрылымы өте ашық, транскрипция ферменттеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді, ал нақты транскрипция факторлары ген экспрессиясын белсендіру үшін ДНК-дағы реттеуші тізбектерге байланысады. Мысалы, NeuroD – нейрондық дифференциацияның маңызды транскрипция факторы, миогенин – бұлшықет дифференциациясының, ал HNF4 – гепатоциттер дифференциациясының маңызды факторы. Жасушалық дифференциация көбінесе дамудың соңғы сатысы болып табылады, оған көзге көрінетін дифференциацияланбаған бірнеше міндеттеме сатылары предшествует. Бір түпкүлдік жасуша немесе стемдік жасушадан құралған бір тіндік көбінесе бірнеше дифференциацияланған жасуша түрлері құрайды. Олардың қалыптасуын бақылауға Notch сигналдық жолының қасиеттеріне негізделген бүйірлік тежеу процесі қатысады. Мысалы, эмбрионның нейрондық пластинасында бұл жүйе нейрондық прекурсорлық жасушалар популяциясын құру үшін жұмыс істейді, онда NeuroD жоғары экспрессияланады.

Қайта жаңғыру

Қайта жаралу – жоғалған бөліктің қайтадан өсу қабілеті. Бұл өсімдіктерде, сондай-ақ гидроидтар мен асцидиялар сияқты колониялық жануарларда, үнемі өсуді көрсететін жандарда кең таралған. Бірақ даму биологтарының қызығушылығы көбінесе бостан тіршілік ететін жануарлардың бөліктерін қалпына келтіруге қатысты. Әсіресе төрт модель көп зерттелді. Олардың екеуі толық денелерді қалпына келтіруге қабілетті: гидра, ол полиптің кез келген бөлігін кішкентай фрагменттен жаңарта алады, және планарлық құрттар, олар көбінесе бас және құйрықтарын қалпына келтіре алады. Бұл екі мысалдың да тұрақты жасуша алмасуы бар, ол жас жасушалармен қамтамасыз етіледі, және кем дегенде планарлық құрттарда, кем дегенде кейбір жас жасушалардың көпұрышты екені дәлелденген. Қалған екі модельде тек қосымшалардың дистальды регенерациясы байқалады. Бұл жәндіктердің қосымшалары, әдетте, саңырауқұлақтар сияқты толық өзгеріске ұшырамайтын жәндіктердің аяқтары, және уродель қосмекенділердің аяқтары. Қосмекенділердің аяқтарының регенерациясы туралы қазіргі кезде көп мәлімет бар, және әрбір жасуша түрі өзін-өзі қалпына келтіретіні белгілі, бірақ жалғаушы тіндерде – шеміршек, дерма және сіңірлер арасында айтарлықтай өзара түрлену байқалады. Құрылымдардың пішіні жағынан, бұл эмбрионда белсенді сигналдардың қайта белсенділігімен реттеледі. Регенерацияның «таза» немесе «бейімделу» қасиеті ме деген ескі мәселе әлі де талқыланып жүр. Егер бірінші жағдай дұрыс болса, білімнің артуымен адамдарда регенерациялық қабілетті жақсартуға болады. Егер соңғысы дұрыс болса, онда регенерацияның әрбір мысалы табиғи іріктеу арқылы түрге тән жағдайларда пайда болды деп есептеледі, сондықтан жалпы ережелер күтілмейді.

Жануарлардың эмбрионалды дамуы

Ұрықтанғаннан кейін сперма мен жұмыртқа бірігіп, ұрықтанған жұмыртқа немесе зигота пайда болады. Ол бөлініс кезеңінен өтіп, бластула немесе бластодерма деп аталатын ұқсас жасушалардан тұратын шар немесе қабат құрайды. Бұл жасушалардың бөлінуі көбінесе жылдам өседі, бірақ үлкеймейді, сондықтан жаңа жасушалар аналық жасушаның жартысына тең болады, ал бүкіл эмбрионның мөлшері шамамен бірдей қалады. Бұл бөліністер митоздық бөліністер деп аталады. Тышқанның эпибластының бастапқы герм жасушалары (суретті қараңыз: Адам эмбриогенезінің бастапқы сатылары) кең ауқымды эпигенетикалық қайта бағдарламалауға ұшырайды. Бұл процеске геномдық ДНК метилденуі, хроматин қайта ұйымдастырылуы және тотипотенцияға алып келетін эпигенетикалық іздің жойылуы кіреді. Морфогенетикалық қозғалыстар жасуша массасын эктодерма, мезодерма және эндодерма деп аталатын көпжасушалы қабаттардан тұратын үш қабатты құрылымға айналдырады. Бұл қабаттар герм қабаттары деп аталады. Бұл гаструляция процесі. Бөліну және гаструляция кезінде алғашқы аймақтық белгілену оқиғалары орын алады. Үш герм қабатының қалыптасуымен қатар, олар көбінесе эмбрионды қолдау және қоректендіру үшін сүтқоректілердің плацентасы сияқты қосымша эмбриондық құрылымдарды жасайды, сонымен қатар бас, дене және құйрық бойындағы міндеттемелердің айырмашылықтарын орнатады. Аймақтық белгілену зиготаның бір бөлігіндегі цитоплазмалық детерминанттардың болуымен басталады. Детерминантты қамтитын жасушалар сигнал беру орталығына айналады және индукциялық факторды бөліп шығарады. Индукциялық фактор бір жерде пайда болып, таралып, ыдырайтындықтан, ол концентрация градиентін құрайды, көз жасушаларға жақын жоғары, ал одан әрі алыс төмен. Белгілендіргіш жоқ эмбриондағы қалған жасушалар әртүрлі концентрацияларға жауап беруге қабілетті және дамуды бақылайтын гендерді жоғары реттейді. Нәтижесінде сигнал беру орталығынан прогрессивті түрде үлкен қашықтықта орналасқан бірнеше аймақтар құрылады. Әр аймақта дамуды басқаратын гендердің әртүрлі комбинациясы жоғары реттеледі. Бұл гендер әр аймақта гендік белсенділіктің жаңа комбинацияларын жоғары реттейтін транскрипция факторларын кодтайды. Басқа функциялармен қатар, бұл транскрипция факторлары олар белсенді болатын жасушаларға ерекше жабысу және қозғалу қасиеттерін беретін гендердің экспрессиясын басқарады. Осы әртүрлі морфогенетикалық қасиеттерге байланысты әрбір герм қабатының жасушалары қабаттар құрап, эктодерма сыртқа, мезодерма ортаға және эндодерма ішке орналасады. Морфогенетикалық қозғалыстар ғана емес, эмбрионның пішіні мен құрылымын өзгертеді, сонымен қатар жасушалық қабаттарды жаңа кеңістіктік қатынастарға әкеліп, олардың арасындағы жаңа сигнал беру және жауап беру фазаларын мүмкін етеді. Сонымен қатар, эмбриогенездің алғашқы морфогенетикалық қозғалыстары, мысалы гаструляция, эпиболия және бұрылу, механотрансдукция процестері арқылы эндомезодермнің белгіленуіне қатысатын жолдарды тікелей белсендіреді. Бұл қасиет алғашқы жануарлар организмдеріндегі теңіз ортасының гидродинамикалық ағынымен механикалық түрде ынталандырылған эндомезодермнің белгіленуінен эволюциялық түрде мұра етілген деп саналады (алғашқы метазоолар). Дененің ось бойымен сол жақты хиральдықпен бұрылу барлық хордалыларда (омыртқалыларды қоса алғанда) кездеседі және осьтік бұрылу теориясымен қарастырылады. Эмбриондардың өсуі көбінесе дербес болады. Жасушалардың әр аймағы үшін өсу жылдамдығы белсенді гендердің комбинациясымен бақыланады. Сыртқы қоректік көздері жоқ еркін тіршілік ететін эмбриондар көп өспейді. Бірақ плацентамен немесе ұрықтан тыс сарысумен қоректенетін эмбриондар өте жылдам өседі, ал осы организмдердегі бөліктердің салыстырмалы өсу жылдамдығының өзгеруі соңғы жалпы анатомияны құруға көмектеседі. Барлық процестерді уақытында үйлестіру қажет, ал оны қалай басқару керектігі әлі түсініксіз. Барлық эмбрион бөліктерімен байланыс жасай алатын және оқиғалардың барысын бақылайтын басқарушы сағат болуы мүмкін, немесе уақытты тек оқиғалардың жергілікті себептік тізбегі анықтауы мүмкін.

Метаморфоз

Метаморфоз кезінде даму процестері өте айқын байқалады. Бұл түрлі жануарларда кездеседі. Жақсы белгілі мысалдар – бақалар, олар көбінесе шаубалдырық ретінде өмірге келіп, ересек бақаға айналады, сондай-ақ кейбір жәндіктер личинка күйінде өмірге келіп, қуыршақ сатысында ересек нысанына өзгеріп дамиды. Жоғарыда аталған барлық даму процестері метаморфоз кезінде жүзеге асады. Әсіресе жақсы зерттелген мысалдарға бақа Xenopus-тың шаубалдырығының құйрығын жоғалтуы және басқа да өзгерістері, сондай-ақ Drosophila melanogaster шыбығының ересек дене мүшелерін қалыптастыратын бейнелі дискілердің биологиясы жатады.

Өсімдіктерді дамыту

Өсімдік дамуы – өсімдік өскен сайын оның құрылымдары қалыптасып, жетілу процесі. Ол өсімдік анатомиясы, физиологиясы және морфологиясы салаларында зерттеледі. Өсімдіктер өмірі бойы мүшелерінің ұштарында немесе жетілген тіндер арасында орналасқан меристемдер арқылы жаңа тіндер мен құрылымдарды үздіксіз жасайды. Сондықтан, тірі өсімдікте әрдайым эмбрионалды тіндер кездеседі. Керісінше, жануар эмбрионы өмірінде пайда болатын барлық дене мүшелерін өте ерте кезеңде дамытады. Жануар туғанда (немесе жұмыртқадан жарылғанда) оның барлық дене мүшелері қалыптасқан болады және одан кейін тек өседі және жетіледі. Өсімдіктерде байқалатын ұйымдасқандық қасиеттер – бұл жеке бөліктерінің жиынтысынан артық болатын, пайда болатын қасиеттер. "Осы тіндер мен функциялардың бірігіп, біртұтас көпжасушалы организмге айналуы жеке бөліктер мен процестердің ерекшеліктерін ғана емес, сонымен қатар жеке бөліктерді зерттеу арқылы болжау мүмкін емес жаңа ерекшеліктер жиынтығын тудырады."

Өсу

Қан тамырлы өсімдік бір жасушалы зиготадан басталады, ол жұмыртқа жасушасының сперматозоидпен ұрықтануынан пайда болады. Осыдан бастап ол эмбриогенез процесі арқылы өсімдік эмбрионын қалыптастыру үшін бөліне бастайды. Бұл процесте пайда болған жасушалар ұйымдасып, бір жағы алғашқы тамырға, екінші жағы сабақтың өсу шоғырына айналады. Тұқымдық өсімдіктерде эмбрионда бір немесе бірнеше "тұқымдық жапырақша" (котиледондар) дамиды. Эмбриогенездің соңында жас өсімдік өмір сүру үшін қажетті барлық мүшелеріне ие болады. Эмбрион тұқымнан немесе аналық өсімдіктен өніп шыққаннан кейін, органогенез процесі арқылы қосымша мүшелерді (жапырақтар, сабақтар және тамырлар) өндіре бастайды. Жаңа тамырлар тамырдың өсу шоғырынан, ал жаңа сабақтар мен жапырақтар сабақтың өсу шоғырынан өседі. Тармақтану, меристем қалдырған, бірақ әлі клеткалық дифференциациядан өтпеген, арнайы тіндерге айналмаған жасушалардың кішкентай топтары жаңа тамырдың немесе сабақтың өсу шоғыры ретінде өсе бастағанда пайда болады. Тамырдың немесе сабақтың өсу шоғырынан кез келген меристемнің өсуі бастапқы өсу деп аталады және бұл тамырдың немесе сабақтың ұзаруына әкеледі. Екіншілік өсу, тамырдың немесе сабақтың кеңеюімен, яғни, камбийдің жасушаларының бөлінуінен туындайды. Жасушаның бөлінуінен басқа, өсімдік жасушаның созылуы арқылы да өсе алады. Бұл жеке жасушалар немесе жасушалар тобы ұзарып өскенде болады. Барлық өсімдік жасушалары бірдей ұзындыққа жете бермейді. Егер сабақтың бір жағындағы жасушалар екінші жағындағы жасушалардан гөрі тезірек және ұзақ өссе, онда сабақ баяу өсетін жасушалардың жағына қарай иіледі. Бұл бағытталған өсу, өсімдіктің жарыққа (фототропизм), гравитацияға (гравитропизм), суға (гидротропизм) және физикалық тікелей байланысқа (тигмотропизм) сияқты белгілі бір күштерге жауабы арқылы жүзеге асуы мүмкін. Өсімдіктердің өсуі мен дамуы белгілі бір өсімдік гормондары және өсімдік өсуін реттегіштер (PGR) арқылы жүзеге асырылады (Ross et al. 1983). Гормондардың ішкі деңгейіне өсімдіктің жасы, суыққа төзімділігі, қыстама жағдайы және басқа да метаболизмдік жағдайлар; фотопериод, құрғақшылық, температура және басқа да сыртқы орта жағдайлары; сондай-ақ, ПГР-дың сыртқы көздері, мысалы, сырттан қолданылатын және тамыр аймағынан шыққандар әсер етеді.

Морфологиялық өзгерісі

Өсімдіктер формасы мен құрылысы бойынша табиғи айырмашылықтарды көрсетеді. Барлық тірі организмдер жеке-жеке өзгеше болғанымен, өсімдіктерде қосымша айырмашылық түрлері байқалады. Бір өсімдіктің ішінде басқа ұқсас мүшелерінен формасы мен құрылысы жағынан ерекшеленетін қайталама мүшелер кездеседі. Бұл айырмашылықты өсімдіктің жапырақтарында көру оңай, бірақ сабақтар мен гүлдер сияқты басқа мүшелерде де ұқсас айырмашылықтар болуы мүмкін. Мұндай айырмашылықтың үш негізгі себебі бар: орналасуға байланысты әсерлер, қоршаған ортаның әсері және жас күйі.

Өсімдіктердің морфологиясының дамуы

Транскрипция факторлары және транскрипциялық реттеуші желілер өсімдіктердің морфогенезінде және олардың эволюциясында маңызды рөл атқарады. Құрлыққа шығу кезінде көптеген жаңа транскрипция факторларының топтары пайда болды және олар көпжасушалық даму, көбею және органдардың даму желілеріне басымдықпен еніп, құрлықтағы өсімдіктердің күрделі морфогенезіне үлес қосты. Құрлықтағы өсімдіктердің көпшілігі көпжасушалы балдырлармен ортақ ата-тегін бөліседі. Өсімдік морфологиясының эволюциясының мысалы харофиттерде көрінеді. Зерттеулер харофиттердің құрлықтағы өсімдіктерге гомологты қасиеттері бар екенін көрсетті. Өсімдік морфологиясының эволюциясының екі негізгі теориясы бар: гомологтық теория және антитетикалық теория. Өсімдік морфологиясының эволюциясы үшін қабылданған теория – антитетикалық теория. Антитетикалық теория мейозға дейін жүретін көптеген митоздық бөліністер спорофиттің дамуына себеп болатынын айтады. Содан кейін спорофит тәуелсіз организм ретінде дамиды.

Даму үлгілік организмдер

Соңғы онжылдықтардағы даму биологиясы зерттеулерінің көп бөлігі бірнеше модельді организмдерді пайдалануға қатысты болды. Бірқатар зерттеулер жануарлар әлемінде даму механизмдерінің үлкен бөлігі сақталғанын көрсетті. Ерте даму кезеңінде әртүрлі омыртқалы жануарлар негізінен бірдей индукциялық сигналдарды және аймақтық идентификацияны кодтайтын гендерді қолданады. Тіпті омыртқасыздар да ұқсас сигналдар мен гендер жиынтығын пайдаланады, бірақ қалыптасқан дене мүшелері айтарлықтай ерекшеленеді. Модельді организмдердің әрқайсысының зерттеушілер арасында кең таралғанына ықпал еткен белгілі тәжірибелік артықшылықтары бар. Бір жағынан, олар бүкіл жануарлар әлемі үшін "үлгі" болып табылады, екінші жағынан, адам дамуының "үлгісі" болып табылады, оны этикалық және практикалық себептерге байланысты тікелей зерттеу қиын. Модельді организмдер даму механизмдерінің жалпы сипатын анықтауда ең пайдалы болды. Қаншалықты көп мәлімет ізделсе, олар бір-бірінен және адамнан соншалықты көп ерекшеленеді.

Омыртқалы жануарлар

Жабақ: Ксенопус. Жақсы эмбрион қоры. Әсіресе микрохирургия үшін өте қолайлы. Зебра балығы: Данио рерио. Жақсы эмбрион қоры. Жақсы дамыған генетика. Тауық: Gallus gallus. Бастапқы сатылары сүтқоректілерге ұқсас, бірақ микрохирургия жасау оңай. Төмен құн. Тышқан: Mus musculus. Сүтқоректі. Жақсы эмбрион қоры. Жақсы дамыған генетика. Нематода: Caenorhabditis elegans. Жақсы эмбрион қоры. Жақсы дамыған генетика. Төмен құн.

Бір жасушалы

Алга: Chlamydomonas. Регенерацияны зерттеу үшін аксолотл (Ambystoma mexicanum) сияқты уродель амфибиялары, сондай-ақ Schmidtea mediterranea сияқты жолақты құрттар пайдаланылады. Өсімдік дамуында модельдік организм ретінде тал-кресс (Arabidopsis thaliana) зерттеледі.