I. Egyedi fejlődés (molekuláris ontogenezis)
FILOZÓFIAI KÉRDÉSFELVETÉS
Filozófiailag a fejlődés meghatározott; az egyszerűtől az összetetthez (vagy bonyolulthoz) vezető változások egymásutánja, összessége. A kérdést – biológiai kísérőszövegbe ágyazva – rendkívüli hozzáértéssel tárgyalja Törő Imre akadémikus és Csaba György egyetemi docens az 1964-ben megjelent kétkötetes monográfiában (Az ember normális és patológiás fejlődése), melynek gondolatmenetét néhány pillanatra mi is átvesszük:
„Az összetett és bonyolult jelen esetben két különböző fogalom: lehet valami összetett, anélkül, hogy bonyolult lenne, és lehet bonyolult különösebb összetettség nélkül…
Induljunk ki egy konkrét példából: valamely egysejtű lény elvégzi az összes funkciókat, melyek életének fenntartásához szükségesek. Ez a – lényegében kezdetlegesnek tekinthető – élőlény mozog, szaporodik, táplálkozik, helyesebben környezetével anyagcserét bonyolít le, ingerlékenységgel rendelkezik stb. Mindezt rendkívül egyszerű – relatíve egyszerű – módon oldja meg, egyetlen sejtből áll, tehát összetettnek mint élő szervezet nem tekinthető. Állítsuk párhuzamba ugyanis valamely magasrendű, például emlős szervezettel.
Itt külön szervei vannak a mozgásnak, szaporodásnak, táplálkozásnak – illetőleg az anyagcsere lebonyolításának –, ingerlékenységnek stb. A magasabbrendű szervezet tehát kétségtelenül összetett.
De vajon bonyolultabb-e, mint az egysejtű szervezet? Mi a bonyolultabb? Az, hogyha egyetlen piciny szerkezet – egyetlen sejt – képes az összes funkciók ellátására, vagy hogyha minden egyes funkció ellátására külön szervek, szervrendszerek állnak rendelkezésre? Ami igaz filogenetikailag, az fennáll ontogenetikailag is. A megtermékenyített petesejt – egyetlen sejt – nagy vonalakban az összes funkciók ellátására képes, míg az összetett soksejtű szervezet egy-egy sejtje már csak a specializált funkciót látja el, és az egész szervezet teljesíti – tökéletesebben – azt a funkciót, amit a petesejt egymaga is ellátott. Biológiailag éppen ezért a fejlődés fogalmának problémáját eldönteni rendkívül nehéz. A fejlődés fogalmának meghatározása tehát filozófiai probléma annak ellenére, hogy a biológus dolgozik vele.”
A fejlődés kérdésének másik filozófiai vetülete az időtartam. Egyesek szerint az ontogenetikus (egyedi) fejlődés a születéssel le is zárul. De ez a nézet nem tekinthető helyesnek, ugyanis születéskor még nem alakult ki minden szerv, sőt egyes szervekben – például az idegrendszerben – olyan fontos változások történnek a méhen kívüli élet folyamán, amelyek nélkül a szervezet normális, integrált tevékenysége el sem képzelhető. Egy másik szélsőséges nézet szerint az egyén fejlődése a születéstől a halálig tart, így az öregedés folyamata is a fejlődés részének tekintendő, noha a meghatározás alapján itt már negatív előjelű változásokkal van dolgunk. Lényegbevágó ellentmondásokkal állunk szemben.
Ismét Törőt és Csabát követve: „A placenta a terhesség tíz holdhónapja alatt megöregszik. A szöveti öregedés számtalan jelét lehet rajta megfigyelni, majd a terhesség végeztével kilökődik a szervezetből. Megöregedése és elpusztulása tehát együtt jár a magzat születésével. A placenta a magzat szerves része, e rész megöregedett, ugyanakkor, amikor az élőlény tulajdonképpen még életperiódusának kezdetén áll. De nem ez az egyetlen példa. Amikor a csecsemőmirigy működésének csúcspontján van, a gonádok sejtjei (a nemi hormonok „gyárai”) még egészen fiatalok, funkciójuk kifejtésére még képtelenek. Mikor a csecsemőmirigy öregedni kezd, a gonádok elkezdik működésüket. Az öregedés tehát mint ontogenetikai fogalom mást jelent sejtre, szervre és egész szervezetre vonatkoztatva, míg a filozófiai meghatározás általánosít.”
A biológiai fejlődés kérdése olyan más filozófiai kategóriákat érint, mint determinizmus és determináció (a fejlődés szigorúan meghatározott ok-okozati folyamat), mennyiség és minőség viszonya (a magzati fejlődés során e két paraméter dialektikusan kapcsolt: a legkezdetibb időtől fogva mennyiségi változások szükségesek ahhoz, hogy minőségi változások jöjjenek létre és viszont), kölcsönhatás az élőlény és környezete között (ezt leginkább a torz fejlődések és torzszülöttek példája igazolja) kölcsönhatás az élőlény egyes részei között, belső ellentmondások (például a rész és egész viszonyában: valamely szerv vagy szövet sejtekből épül fel, a szövet minőségét tehát a sejtek mennyisége adja. A szövet vagy szerv azonban több mint a sejtek egyszerű összege, azoktól minőségileg különbözik; a sejtek a szövetnél sokkal szélesebb lehetőségekkel rendelkeznek, amelyeket azonban korlátoz a szövet vagy szerv; ez vezet tehát belső ellentmondásokhoz). A fentiek tükrében nem csoda, hogy a biológia óriási birodalmában éppen az embriológiának (magzattannak) nevezett „tartományban” vívták az elmúlt évtizedek legvérmesebb bölcseleti és világnézeti csatáit!
A FEJLŐDÉS FENOMENOLÓGIAI BIOLÓGIÁJA
Az egyed élete a megtermékenyítéssel kezdődik, amelynek során az érett petesejt (női ivarsejt) egyesül az ondósejttel (a hímivarsejttel) és ezáltal két önálló életre alkalmatlan sejtből egy későbbi életképes sejt keletkezik. A fekundáció két szakaszból áll: egyrészt a spermium behatolása (impregnáció), másrészt a sejtmagvak egyesülése (konjugáció). Az utóbbi során a két szülő örökletes anyaga, amelyet „fele-fele” arányban a két ivarsejt magja hordoz, egyetlen sejtté: a megtermékenyített petesejtté egyesül – ebből a mikroszkopikus szerkezetből fejlődik ki a későbbiek során a makroszkopikus, bonyolult szervezet.
Rövid idővel a pete megtermékenyülése után megkezdődik a barázdálódás (szegmentáció), amelynek során a spermovium, a megtermékenyített petesejt sejtosztódásokon (mitózis) megy keresztül; először 2 sejt, majd 4, 8, 16, 32 stb. keletkezik, s a folyamatosan bekövetkező osztódások állandóan kisebb és kisebb sejteket eredményeznek. Megjegyzendő, hogy ezek a sejtek, a blasztomérák különválasztva is képesek az eredeti egyetlen egyed helyett külön-külön egyedeket létrehozni! A sejtosztódásokkal párhuzamosan a pete felszínén barázdák jelennek meg, innen a folyamat neve. Minél több barázda keletkezik, annál kisebbek a blasztomérák. s a sejtek halmaza végül szederhez hasonló képletet: morulát alkot. A morula belsejében hamarosan barázdálódási üreg keletkezik, miáltal a morula csírahólyaggá (blasztula) alakul, amelynek falát blasztomérák alkotják. Ettől számítják az élő egyed alaki (morfológiai) fejlődésének kezdetét. Ezután három csíralemez alakul ki: ektoderma, entoderma és mezoderma.
A fejlődés harmadik szakasza nagyjából úgy jellemezhető, mint a működőképes szervek és szervrendszerek végleges kialakulásának szakasza. Ebben a szakaszban következik be a sejtek és a szövetrendszerek szöveti (hisztológiai) differenciálódása.
A FEJLŐDÉS MOLEKULÁRIS BIOLÓGIÁJA
Az emberi szellem elválaszthatatlan velejárója az egység töretlen keresése a zavaró és rendszertelen sokféleségben. És valahányszor ilyen egységesítő „varázsszer” kerül, a rendteremtés nagy gyönyörrel tölti el a kutató szellemét. Így volt ez Marx politikai gazdaságtanával, Darwin természetes kiválasztódási elméletével, Wirchow sejtelméletével vagy újabban Gell-Mann csoportelméleti szimmetriafelfogásával az elemi részecskék egységes és átfogó osztályozásában. Nem kisebb volt a lelkesedés, amikor a molekuláris biológia „előterjesztette” egységesítő „platformját” a biológia rendkívül sokszínű területeinek átfogására.
Amint fentebb láttuk, bármely bonyolult élő szervezet egyetlen kiinduló élő sejt terméke. Hogyan lehetséges. hogy a látszólag egyszerű sejtecske egy összetett felépítésű szervezetté nő fel? Láthattuk, hogy fenomenológiailag ezt a sorozatos sejtosztódással (mennyiségi változás) és a szervezeten belül lényegében szakosodást jelentő – sejti, embrionális és szöveti, majd szervi – differenciálódással magyarázzák.
De miként zajlik mindez a szervinél, szövetinél és sejtinél alacsonyabb, molekuláris szinten? Ennek megértéséhez el kell kalandoznunk a sejt genetikai szabályozó mechanizmusainak világában.
Mint ismeretes, az élőlények örökletes sajátosságai a sejtmag genetikai állományában, a kromoszómák dezoxiribonukleinsavában (DNS) vannak elraktározva, rejtjelezett (kódolt) formában E rejtjel „megfejtése”, azaz lefordítása a fehérjékben történik. Valamely élő egyed faji hovatartozását a sejtekben lejátszódó anyagcsere-folyamatok összessége és minősége adja.
Az anyagcsere összes vegyfolyamatait viszont a fehérjeenzimek katalizálják. Metaforával élve: az élő egyed kifejezett fajlagosságát. a fenotípust a fehérjék határozzák meg, a fehérjék szintézisét pedig a DNS irányítja. Ennek kijelentése azt jelenti, hogy egy makroszkopikus paramétert – a faji hovatartozást – sikerült visszavezetnünk egy molekuláris szubsztrátumra: a DNS-re, illetőleg a fehérjékre.
Ebben a tekintetben azonban mindjárt felmerül egy látszólagos paradoxon: a magzati fejlődés során az élő egyed valamennyi sejtjébe az eredeti megtermékenyített petesejt ugyanazon örökletes anyaga – tehát ugyanaz a DNS – jut, s akkor pedig honnan a többsejtűek szervezetén belüli sejtsokféleség? Mert mikroszkopikusan nyilvánvaló, hogy például az idegsejtek nem „azonosak” a bőr hámsejtjeivel stb.
Ez azt jelenti, hogy az egyedi fejlődés során egyazon sejtfajta útközben valahol „elágazódott”, azaz differenciálódott. A folyamat megértéséhez a molekuláris alapot első ízben két Nobel-díjas francia szakember, Francois Jacob és Jacques Monod szolgáltatta, a róluk elnevezett génszabályozási elmélet kidolgozásával.
Az örökletes tulajdonságok összessége a kromoszómák összességében, a sejtgenomban van eltárolva. Az egyes tulajdonságoknak egy-egy gén felel meg, tehát a genom tulajdonképpen DNS-szakaszok, azaz gének lineáris vagy körkörös halmaza. Egy gén egy fehérjét (enzimet) kódol, vagyis egyetlen meghatározott tulajdonságot kifejező fehérje szintézisét határozza meg.
Ezek az úgynevezett szerkezeti gének (SZG). A genomszál mentén ezenkívül operátor gének (OG) találhatók, amelyek az előbbiekkel együtt az operonnak nevezett molekuláris genetikai szerkezeti és funkcionális egységet adják. Az operon „üzembeléptetésére” a jelt a regulációs (szabályozó) gén (RG) adja meg. A három szerkezeti gén három különböző (A, B. C) fehérje szintézisét képes irányítani. A gépezet azonban mindaddig nem indul be, amíg az operátorgén „elnyomott” állapotban van. Ennek „felszabadítására” kétféle úton érkezhet jel: vagy közvetlenül az OG szintjén, vagy az OG-n elhelyezkedő, s azt elfedő fehérje szintjén.
A jelet a szabályozó gén (RG) bocsátja ki: ha a sejtközegben valamely anyag cseretermék az életfenntartáshoz szükségesnél kisebb koncentrációban van jelen, azt jelenti, hogy a fehérjeüzem nem termel, tehát fehérjeszükséglet lép fel. Jacob és Monod zseniális meglátása abban áll, hogy bevezették a sejt genetikai szabályozó mechanizmusainak magyarázására a kibernetikából ismert visszacsatolási elvet.
A végtermék egyesül a represszorral (az „elnyomóval”), s vegyileg megváltoztatja azt, ami által viszont kiváltja a gépezet megindulását az operátor gén szintjén. Hasonló gondolatmenet érvényes abban az esetben, ha az anyagcsere-végtermék a kelleténél nagyobb koncentrációban van jelen, vagyis amikor nincs szükség további fehérjeszintézisre. Kezdetben mindezt az egysejtű élőlényekre, a baktériumokra találták érvényesnek. A magasabbrendű szervezetek esetében ez idáig még véglegesen nem tisztázott a genetikai szabályozás sejtmechanizmusa. De nagyon valószínűnek tartják, hogy ezek esetében a géneket jelentő DNS savas jellegű foszfátcsoportjaira az erősen bázikus fehérjék: a hisztonok szorosan rátapadva vigyáznak”, megelőzve a folytonos enzimfehérje-termelést. Az enzimszintézist pedig valószínűleg a megfelelő DNS-szakaszhoz (génhez) nagyon hasonló összetételű RNS váltja ki.
A fentiek tükrében rátérhetünk az egyedi fejlődés látszólagos központi paradoxonának „megfejtésére”: a differenciálódás molekuláris biológiai értelmezésére. Láthattuk, hogy a vázolt genetikai mechanizmusok az öröklődési tulajdonságok, lehetőségek (potencialitások) kifejezésre jutását szabályozzák. A baktériumoknál ezek a mechanizmusok megfordíthatók, más szóval a mikroorganizmus egy egész sor különböző környezeti feltétel mellett életképes, mert genetikai „sokoldalúságából” kifolyólag képlékeny, alkalmazkodó. Nem így a felsőbbrendű szervezetek specializált differenciálódása! Ha egy sejt egyszer amellett „döntött”, hogy vérképzéssel „foglalkozik” egy életen át, akkor többé sohasem lesz belőle mondjuk izomszövetsejt.
Az eredeti megtermékenyített petesejtből sorozatosan minőségileg különböző sejtek, azokból szövetek és szervek fejlődnek ki. Ez a funkcionális differenciálódás szerkezeti differenciáltságot rejt magában: noha egy szervezet valamennyi sejtjében ugyanaz a DNS-mennyiség (és minőség!) található, a különböző szakosított funkciójú szövetek és szervek (vér, izom, vese, máj, idegrendszer stb.) sejtjei ugyanazon DNS különböző génjeit tartják működésben, míg a többi nem szövetfajlagos gén elnyomott állapotban van. Minél differenciáltabb (vagy fejlődéstani szempontból minél „magasabb”) egy szerv, annál valószínűtlenebb annak egy „alacsonyabbrendű” funkcióra való visszatérítése. Így például a fejlődés szempontjából a legmagasabbrendű „vívmány”, a központi idegrendszer sejtjei, a neuronok annyira visszafordíthatatlanul differenciáltak, hogy semmiképp sem lehetne „rávenni” őket. hogy a májszövet sejtjeinek munkáját végezzék.
Történtek már kísérletek a differenciálódás megfordítására és a vázolt molekuláris mechanizmusok ismerete – bár egyelőre csak az elmélet szintjén – feljogosítja a molekuláris biológusokat arra a reményre, hogy egy szép napon sikerül véghez vinni az álomnak tűnő hőstettet: egy hiányzó funkciót vagy egy hiányzó végtagot tetszőleges élő sejten végrehajtott „génsebészi” beavatkozással kijavítani és pótolni.
Megjelent A Hét IV. évfolyama 3. számában, 1973. január 19-én.