تحتاج خلايا الأجنة إلى اجتياز "مشهد التطور" إلى مصيرها. تتعلق الاكتشافات الجديدة بكيفية تمكنهم من القيام بذلك على نحو فعال
في عام 1891 ، عندما قام عالم الأحياء الألماني
هانز دريش بتقسيم الجنين المكون من خليتين لقنفذ البحر إلى نصفين ، اكتشف أن كل خلية من الخلايا المنفصلة قد نمت في نهاية المطاف لتصبح يرقة كاملة ، وإن كانت أصغر. نصفي "يعرف" بطريقة ما كيفية تغيير برنامج التطوير: على ما يبدو ، في هذه المرحلة لم يتم رسم الرسومات الكاملة لتنميتها (على الأقل ليس بالحبر).
منذ ذلك الحين ، يحاول العلماء فهم كيفية إنشاء مثل هذا الرسم ومدى تفصيله. (انزعج نفسه ، لم يستطع أن يجد إجابة على هذا السؤال ، وألقى يديه في حالة من اليأس وتوقف عمومًا عن العمل في هذا المجال). من المعروف الآن أن بعض المعلومات الموضعية تؤدي إلى إيقاف تشغيل الجينات وإيقافها في جميع أنحاء الجنين ، وتخصيص أدوار معينة للخلايا بناءً على موقعها. ومع ذلك ، يبدو أن الإشارات التي تحمل هذه المعلومات تتقلب بقوة وبشكل عشوائي - وليس على الإطلاق كما قد يتوقع المرء من تعليمات مهمة.
وقال
روبرت بروستر ، عالم أحياء الأنظمة في كلية الطب بجامعة ماساتشوستس: "إن الجنين مكان صاخب". "لكن بطريقة ما يذهب ويعطي خطة قابلة للتكرار واضحة لإنشاء الجسم."
تنشأ نفس الدقة والتكاثر مرارًا وتكرارًا من بحر من الضوضاء في العمليات الخلوية المختلفة. تقود الحقائق المتراكمة بعض علماء الأحياء إلى افتراض جريء: حيث تتم معالجة المعلومات ، يمكن للخلايا في كثير من الأحيان أن تجد ليس فقط حلولاً جيدة لمشاكل الحياة المعقدة ، ولكن الخلايا المثلى - تستخلص الخلايا أكبر قدر ممكن من المعلومات المفيدة من بيئتها المعقدة. تقول
ألكسندرا فولتشاك ،
عالمة الفيزياء الحيوية في المدرسة العليا العادية بباريس ، "في مسائل فك التشفير المثلى" في علم الأحياء في كل مكان ".
تقليديًا ، لم يعتبر علماء الأحياء تحليل النظم الحية مهامًا مثالية ، نظرًا لأن تعقيد هذه الأنظمة يعقد مهمة تحديد كميتها ، وبما أنه من الصعب إلى حد ما فهم ما يحتاج بالضبط إلى التحسين. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن نظرية التطور تقول إن الأنظمة المتطورة يمكن أن تتحسن بمرور الوقت ، لا يوجد ما يضمن أنها ستقترب من المستوى الأمثل.
ومع ذلك ، عندما تمكن الباحثون من تحديد ما تقوم به الخلايا ، فوجئ الكثير منهم بوجود علامات واضحة على التحسين. توجد تلميحات في استجابة الدماغ للمنبهات الخارجية وفي استجابة الميكروبات للمواد الكيميائية في بيئتها. والآن ، ظهرت بعض الحقائق الأكثر إقناعًا بفضل دراسة جديدة عن تطور يرقات الذبابة ، على النحو الموصوف في بحث حديث نشر في الخلية.
إحصائيات فهم الخلايا
على مدى عقود ، درس العلماء يرقات ذبابة الفاكهة ، يبحثون عن أدلة لعملية تنميتهم. كانت بعض التفاصيل واضحة من البداية: تشكل سلسلة من الإشارات الجينية تسلسلًا معينًا على طول المحور من الرأس إلى الذيل. ثم ، تخترق جزيئات الإشارة ، المورفوغينات ، أنسجة الجنين ، وتحدد في النهاية تكوين أجزاء الجسم.
تكتسب جينات الفجوة الأربعة أهمية خاصة ، والتي يتم التعبير عنها بشكل فردي في مناطق واسعة ومتقاطعة من الجسم على طول محورها. تساعد البروتينات التي تنتجها على تنظيم التعبير عن جينات القاعدة الزوجية ، والتي تخلق أنماط مخططة دورية دقيقة للغاية على طول الجنين. وضع المشارب الأساس للتقسيم المتأخر للجسم إلى شرائح.
مقارنة التعبير الجيني لأزواج الفجوة والقواعد الجينيةلطالما كانت كيفية فهم الخلايا لتدرجات التكاثر هذه لغزًا للعلماء. كان الافتراض واسع النطاق أنه بعد أن يوجه البروتين الخلايا مباشرة في "الاتجاه" الضروري تقريبًا ، فإن الأخير يراقب باستمرار البيئة المتغيرة ويقوم بالتعديلات باستمرار ويصل إلى وجهته في مرحلة متأخرة إلى حد ما. يردد هذا النموذج "مشهد التنمية" الذي اقترحه
كونراد هال وادينغتون في عام 1956. وقارن عملية ضبط الخلايا بمصيره مع كرة تدحرجت على طول سلسلة من الأجوف مع منحدر متزايد ومسارات متشعبة. بمرور الوقت ، تحتاج الخلية إلى الحصول على المزيد والمزيد من المعلومات لتوضيح بيانات موقعها - كما لو كانت تهدف إلى أين وفي أي شكل تحتاج إلى لعب "20 سؤالًا" - كما وصفتها
جانيت كونديف ، فيزيائية من جامعة برانديز.
ومع ذلك ، فإن مثل هذا النظام عرضة للحوادث: بعض الخلايا ستختار حتماً المسار الخطأ ولن تكون قادرة على العودة. ومع ذلك ، أظهرت مقارنة بين أجنة الذباب أن ترتيب الشرائط وفقا لقاعدة الزوج يحدث مع خطأ صغير بشكل لا يصدق ، فقط 1 ٪ من طول الجنين - أو مع دقة خلية واحدة.
توماس جريجور ، عالم فيزياء حيوية بجامعة برينستونقاد هذا مجموعة من الباحثين من جامعة برينستون ، بقيادة
توماس جريجور وويليام بياليك ، للشك في شيء آخر: أن الخلايا يمكن أن تتلقى جميع المعلومات اللازمة لتحديد موقعها من الأشرطة من مستويات التعبير عن جينات الاضطراب وحدها ، على الرغم من عدم وجود دورية لها ، وبالتالي ليست مصدرا واضحا لمثل هذه التعليمات.
هذا ما اكتشفوه.
لمدة 13 عامًا ، قاموا بقياس تركيز المورphوجين وكسر بروتينات الجينات في كل خلية ، من جنين إلى آخر ، لتحديد مدى الدقة ، على الأرجح ، سيتم التعبير عن أربعة جينات كسر في كل موقف على طول المحور من الرأس إلى الذيل. استنادًا إلى توزيع هذه الاحتمالات ، قاموا بإنشاء "قاموس" أو وحدة فك ترميز ، وهي خريطة شاملة قادرة على توفير تقدير احتمالي لموقع الخلية بناءً على مستويات تركيز البروتينات الجينية المنهارة.
منذ حوالي خمس سنوات ،
حدد الباحثون - من بينهم
مارييلا بيتكوفا ، التي بدأت هذه القياسات كطالب في جامعة برينستون (وهي الآن تستعد للدفاع عن دكتوراه في الفيزياء الحيوية بجامعة هارفارد)
وجاسبر تكاشيك ، الذي يعمل الآن في المعهد النمساوي للعلوم والتكنولوجيا - حدد هذه المقارنة ، مما يشير إلى أنه يعمل كجهاز فك ترميز Bayesian الأمثل (على سبيل المثال ، وحدة فك ترميز تستخدم قاعدة Bayesian التي تحسب احتمال حدث بناءً على الاحتمالات الشرطية الأساسية). سمحت لهم منصة بايز بإعطاء "أفضل تخمين" حول موضع الخلية بناءً فقط على التعبير عن جين الفجوة.
وجد الفريق أنه يمكن استخدام التقلبات في جينات التمزق الأربعة للتنبؤ بموقع الخلايا بدقة خلية واحدة. ومع ذلك ، فإن هذا يتطلب ما لا يقل عن الحد الأقصى من المعلومات حول جميع الجينات الأربعة: بناءً على نشاط اثنين أو ثلاثة فقط من الجينات ، فإن تنبؤات وحدة فك الترميز تصبح أقل دقة بكثير. كما أن إصدارات وحدة فك الترميز التي استخدمت معلومات أقل حول جميع جينات الكسر الأربعة - على سبيل المثال ، تلك التي استجابت فقط لحقيقة أن الجينات قد تم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها - كانت أيضًا أسوأ في التنبؤات.
وليام بياليك ، عالم الفيزياء الحيوية برينستونكما يقول فولتشاك: "لم يقم أي شخص بقياس أو إظهار مدى جودة المعلومات حول تركيزات هذه التدرجات الجزيئية تشير إلى موقع محدد على المحور."
وقد فعلوا ذلك: حتى لو أخذنا في الاعتبار العدد المحدود من الجزيئات وضوضاء النظام ، فإن تركيز الجينات الممزقة كان كافياً لفصل خليتين مجاورتين على المحور من الرأس إلى الذيل - وبقية الشبكة الوراثية ، على ما يبدو ، نقل هذا على النحو الأمثل المعلومات.
"لكن سؤال واحد ظل مفتوحًا دائمًا: هل البيولوجيا ضرورية؟ - قال جريجور. "أم أنه مجرد شيء نقيسه؟" هل يمكن بالفعل تصميم مناطق الحمض النووي التنظيمية التي تستجيب لجينات التمزق لتكون قادرة على فك تشفير معلومات الموقع الواردة في هذه الجينات؟
تعاون علماء الفيزياء الحيوية مع عالِم الأحياء إريك فيساوس ، الحائز على جائزة نوبل ، لاختبار ما إذا كانت الخلايا تستخدم حقًا المعلومات التي يحتمل أن تكون متاحة لهم. لقد قاموا بإنشاء أجنة متحولة ، وتغيير تدرجات المورفين في أجنة ذبابة صغيرة ، والتي غيرت تسلسل التعبير عن جينات التمزق ، ونتيجة لذلك أدت إلى حقيقة أن شرائط القاعدة الزوجية قد تحولت أو اختفت ، وبدأت في التكرار أو التشويش. وجد الباحثون أنه حتى في مثل هذه الحالات ، يمكن لوحدة فك الترميز الخاصة بهم أن تتوقع حدوث تغييرات في التعبير المتحور بدقة مذهلة. وقال فولشاك "لقد أظهروا أنه على الرغم من أن المسوخ لديه خريطة موقع مكسورة ، إلا أن وحدة فك الترميز لا تزال تتنبأ بها".
رسم خطة الجسم المشفرة
1) في مرحلة مبكرة من التطور ، تواجه الخلايا على امتداد الجسم مستويات مختلفة من جينات التمزق.
2) يمكن لمستويات جينات التمزق أن تحدد بدقة أين يجب أن تكون جينات قاعدة الزوج نشطة.
3) كل هذا يؤدي إلى تشكيل شرائح الجسم في المراحل اللاحقة."قد يعتقد المرء أنه إذا تلقى وحدة فك الترميز معلومات من مصادر أخرى ، ثم لا يمكن خداع الخلايا بهذه الطريقة" ، أضاف بروستر. "وحدة فك الترميز لن تعمل."
تمثل هذه الاكتشافات علامة فارقة جديدة ، وفقًا لـ Condew ، الذي لم يشارك في الدراسة. وقال إنهم يتحدثون عن وجود "الواقع المادي" في وحدة فك الترميز المقترحة. "خلال التطور ، فهمت هذه الخلايا كيفية تنفيذ نهج بايز باستخدام الحمض النووي التنظيمي."
كيف بالضبط خلايا تفعل هذا لا يزال لغزا. وقال
جون راينيتز ، عالم الأحياء في الأنظمة بجامعة شيكاغو ، حتى الآن ، "القصة كاملة رائعة
وساحرة" .
ومع ذلك ، يوفر العمل طريقة جديدة للحديث عن التطور المبكر وتنظيم الجينات وربما التطور.
المزيد من التضاريس غير المستوية
توفر الاكتشافات فرصة لإلقاء نظرة جديدة على فكرة Waddington عن مشهد التطور. يقول جريجور إن نتائج عملهم تتعارض مع الحاجة إلى لعب 20 سؤالًا أو تحسين المعرفة تدريجياً. وقال إن المشهد "غير مستو منذ البداية". جميع المعلومات موجودة بالفعل.
وقال
مانويل رازو-ميجيا ، وهو نضح من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "من الواضح أن الانتقاء الطبيعي يحفز النظام بقوة ، ويصل إلى النقطة التي تعمل فيها الخلايا عند الحد المسموح به جسديًا".
إريك وياس ، عالم الأحياء بجامعة برينستون ، الحائز على جائزة نوبلمن المحتمل أن يكون العمل الفعال للخلايا في هذه الحالة مجرد صدفة: نظرًا لتطور أجنة الذباب بسرعة كبيرة ، في هذه الحالة ، ربما يكون التطور "قد وجد الحل الأمثل بسبب الحاجة الملحة لفعل كل شيء بسرعة كبيرة" ، كما يقول
جيمس بريسكو ، عالم الأحياء من معهد فرانسيس كريك (لندن) ، الذي لم يشارك في العمل. لإثبات وجود مبدأ عام معين ، سيتعين على الباحثين اختبار وحدة فك الترميز في الأنواع الأخرى ، بما في ذلك الأنواع التي تنمو ببطء أكثر.
ومع ذلك ، فإن هذه النتائج تثير أسئلة جديدة مثيرة للاهتمام حول العناصر التنظيمية ، وغالبا ما تكون لغزا. لا يعرف العلماء بالضبط كيف يشفر الحمض النووي التنظيمي السيطرة على نشاط الجينات الأخرى. تشير الاكتشافات إلى أن وحدة فك الترميز Bayesian المثلى تعمل هنا ، مما يسمح للعناصر التنظيمية بالاستجابة للتغيرات الصغيرة جدًا في التعبير المشترك لجينات الفجوة. "قد يتساءل المرء ، ما هو بالضبط رمز فك التشفير في الحمض النووي التنظيمي؟ - قال كونديف. - وما الذي يجعله بالضبط فك شفرة بطريقة الأمثل؟ لم نتمكن من طرح مثل هذا السؤال قبل ظهور هذه الدراسة. "
وقال بريسكو: "هذا البحث يجعل المهمة التالية في هذا المجال هي بالضبط هذا السؤال". بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون هناك عدة طرق لتنفيذ وحدة فك الترميز هذه على المستوى الجزيئي ، مما يعني أنه يمكن تطبيق هذه الفكرة على أنظمة أخرى.
ظهرت تلميحات في تطور الأنبوب العصبي في الفقاريات ، وهي مقدمة للجهاز العصبي المركزي - وهذا يتطلب آلية مختلفة تماما.
بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت هذه المناطق التنظيمية تتطلب فك التشفير الأمثل ، فإن هذا يمكن أن يحد من حيث المبدأ من تطورها ، وبالتالي تطور الكائن الحي بأكمله. وقال كونديف "حتى الآن ليس لدينا سوى مثال واحد - الحياة التي ظهرت على هذا الكوكب كنتيجة للتطور" ، لذلك نحن لا نعرف الحدود المهمة لما يمكن أن تكون عليه الحياة من حيث المبدأ. إن اكتشاف سلوك بايزي في الخلايا قد يشير إلى أن المعالجة الفعالة للمعلومات قد تكون "مبدأً عامًا يفرض على مجموعة من الذرات مجتمعة أن تتصرف بطريقة ، في رأينا ، أن الحياة يجب أن تتصرف".
ولكن حتى الآن هذا ليس سوى تلميح. وقال جريجور إنه على الرغم من أنه سيكون بمثابة حلم فيزيائي ، إلا أننا لا نزال بعيدين عن إثبات كل هذا.
من الأسلاك في قاع المحيط إلى الخلايا العصبية في الدماغ
يأتي مفهوم تحسين المعلومات من الهندسة الكهربائية. في البداية ، أراد الخبراء أن يفهموا ما هي أفضل طريقة لترميز الصوت وفك تشفيره حتى يتمكن الناس من التحدث على الهاتف عبر الكابلات عبر المحيطات. تحول هذا لاحقًا إلى سؤال أكثر عمومية حول النقل الأمثل للمعلومات عبر القناة. إن تطبيق هذه المنصة على دراسة الأنظمة الحسية للدماغ وكيفية قياسها ، وترميزها ، وفك تشفيرها ، لم يكن أمرًا عاديًا.
الآن يحاول بعض الخبراء التفكير في أنظمة الاستشعار بهذه الطريقة. على سبيل المثال ، درس Razo-Mehiyya ، كيف تحسّن البكتيريا وتعالج المواد الكيميائية في البيئة ، وكيف يؤثر ذلك على شكلها المادي. سأل فولتشاك وزملاؤه كيف يمكن أن تبدو "استراتيجية فك التشفير الجيدة" في نظام المناعة التكيفي الذي يجب أن يعترف ويستجيب لمجموعة متنوعة ضخمة من المتسللين.
"لا أعتقد أن التحسين سيتحول إلى فكرة جمالية أو فلسفية. قال بياليك: "هذا شيء محدد للغاية". "غالبًا ما أدت مبادئ التحسين إلى قياس الأشياء المثيرة للاهتمام." سواء أكان ذلك صحيحًا أم لا ، يعتقد أن التفكير في هذا الموضوع مفيد على أي حال.
"بالطبع ، فإن الصعوبة تكمن في أن الخاصية المشفرة في كثير من الأنظمة ليست شيئًا بسيطًا ، مثل ترتيب أحادي البعد [لخلية على محور الجنين]" ، قال فولتشاك. "هذه المهمة يصعب تحديدها."
ولهذا السبب فإن النظام الذي يدرسه بياليك وزملاؤه جذاب للغاية. وقال كونديف: "لا توجد أمثلة كثيرة في علم الأحياء عن كيف تؤدي فكرة رفيعة المستوى ، مثل المعلومات ، إلى صيغة رياضية" ، والتي يمكن بعد ذلك اختبارها في تجارب على الخلايا الحية.
هذا هو اتحاد النظرية والتجربة الذي يعجب بياليك. إنه يأمل أن يرى كيف سيؤدي هذا النهج إلى توجيه العمل الجاري في هذا السياق. "ما زال غير واضح ،" قال ، "ملاحظة التحسين هي فضول ينشأ هنا وهناك ، أو هل هناك شيء أساسي فيه".
وقال بريسكو إذا كان الأخير صحيحًا ، فسيكون الأمر رائعًا. "حقيقة أن التطور يمكن أن يجد طرقًا فعالة للغاية لحل المشكلات سيكون اكتشافًا رائعًا."
يوافق كونديف على هذا. وقال: "يأمل الفيزيائي أن ترتبط ظاهرة الحياة ليس فقط بالكيمياء المحددة والحمض النووي والجزيئات التي تشكل الكائنات الحية - إنها أوسع من ذلك". - وماذا يمكن أن يكون أوسع؟ لا اعرف ربما هذا العمل سيرفع قليلا هذا الحجاب من السرية ".