Загадка развития эмбриона

Детерминированные

Эквифинальные

Морской ёж

Гидроидный полип

Два типа процессов в биологии развития

Развитие морского ёжа

Детерминированные процессы

Детерминированные процессы

Гаструляция Xenopus laevis

Дробление Xenopus laevis

Нейруляция Xenopus laevis

Образование полости бластоцисты

Дробление

Человек

Детерминированные процессы в физике

Детерминированные процессы в физике

Однозначный детерминизм

…Я не признаю никакой разницы между машинами, изготовленными ремесленниками, и различными телами, которые

Однозначный детерминизм

Вселенная – огромный «часовой механизм»

Преформизм

Развитие гидроидного полипа

Эквифинальные процессы

Эквифинальные процессы

Периоды вариабельности в развитии эмбриона

Развитие эмбриона
Детерминизм или вариабельность?

Гаструляция у амфибий
Карта презумптивных зачатков

Гаструляция у амфибий
Вариабельность презумптивных зачатков

Эмбриональные регуляции

«Судьба зачатка есть функция его положения в целом»

Hans Driesch (1867—1941)

Однозначный детерминизм

Вариабельность и регуляции

Физика и биология

Законы физики нарушаются в живых организмах???

?

Время в физике и биологии

t →

Направление времени
Детерминированные системы

Возможно

← t

Возможно

t →

Направление времени
Биологические системы

Возможно

← t

Невозможно!!!

Откуда берется эта «стрела времени»???

?

Arthur Stanley Eddington (1882—1944)

Направление времени

прошлое

будущее

Направление времени
в термодинамике

…Увеличение хаотичности <с течением времени> – единственное, что

II начало термодинамики

Penrose, 1989, “The emperor’s new mind“

Фазовое пространство (ф.п.) –

II начало термодинамики

II начало термодинамики

Eddington, 1928, “The nature of the physical world“

Если я

t

Более организованные системы

«Стрела» времени

Термодинамика

Менее организованные системы

Порядок

Хаос

t

Менее органи-зованные системы

Биология развития

Более органи-зованные системы

Простое

Сложное

В

Самоорганизация в физических системах

Самоорганизация в физике
Ячейки Релея-Бенара

Henri Claude Bénard (1874—1939)

John William Strutt, Rayleigh (1842—1919)

Охлаждение

Нагрев

Конвекционные токи

Самоорганизация в физике
Реакция Белоусова-Жаботинского

Борис Павлович Белоусов (1893—1970)

Анатолий Маркович Жаботинский (1938—2008)

Симон Эльевич Шноль (род. 1930)

Спонтанное усложнение
Появление новых структур

Условия самоорганизации:
1. поток (запас) энергии

процессы S↑

процессы Si↑

Поток вещества и энергии

Изолированные системы

Открытые системы

Организ. системы low S

Нерганиз. системы high S

low

Условия самоорганизации:
2. Обратные связи

Реакция Белоусова-Жаботинского

Эндокринная система

Activator

Inhibitor

+

+

–

Система обратных связей
Регуляция репродуктивной системы человека

François Jacob (1920—2013)

Jacques Monod (1910—1976)

Генетический триггер
Взаимное ингибирование двух генов

Max Delbrück (1906—1981)

Два стабильных состояния:
активен ген 1
или
активен

Дмитрий Сергеевич Чернавский (1926—2016)

Генетический триггер
Взаимное ингибирование двух генов

Одно устойчивое состояние

Два возможных устойчивых состояния

Бифуркация

Область

Компетенция – способность клетки (ткани) развиваться в нескольких направлениях
Бифуркация – появление новых состояний в

Рождение нового в неустойчивых системах

Рассеивающий бильярд (бильярд Синая).
Незначительное отклонение в начальных

Самоорганизация в развитии эмбриона

Общая схема преимплантационного развития млекопитающих

Niakan et al, 2012

Мышь

Человек

1

Развитие эмбриона млекопитающих
Этапы качественного усложнения

2

3

4

5

6

7

MI

MII

2PN

2 бласто- мера

8 бласто- меров

морула

начало кавитации

бласто- циста

Раннее дробление клетки (почти) идентичны

4—8 бластомеров

Поляризация клеток
апикальный полюс – ↑ aPKC, Par3, Jam1
базальный полюс –

8 бластомеров
Вариабельность: полярность, экспрессия генов

Dietrich et al., 2007

Cdx2

Nanog

эпибласт
гипобласт
трофобласт

Транскрипция

Связь полярности клеток и экспрессии генов

Поляризация клеток
апикальный полюс – ↑ aPKC, Par3,

Транскрипция

Поляризация клеток
апикальный полюс – ↑ aPKC, Par3, Jam1
базальный полюс – ↑ Par1

aPKC

кортикальный миозин

Yap

YapP

в

8 бластомеров связь полярности с экспрессией генов

Bruce et al., 2010

↑ плюрипотентность,

8 бластомеров появление различий между клетками

↑ aPKC, Par3 ⇒ симм.деление
↓ aPKC,

HIPPO

Трофобласт

Yap

YapP

в цитоплазме неактивен

Lats

в ядро

Tead4

Tead4∙Yap

Транскрипция Cdx2

HIPPO

Трофобласт

Yap

YapP

в цитоплазме неактивен

Lats

в ядро

Tead4

Tead4∙Yap

Транскрипция Cdx2

8 бластомеров → бластоциста

Dietrich et al., 2007

Cdx2

Nanog

Oct4

E 3.5

E 4.5

Квазистохастические паттерны экспрессии

8 бластомеров → бластоциста

Dietrich et al., 2007

Cdx2

DNA

эпибласт
гипобласт
трофобласт

Oct4

E 3.5

E 4.5

8 бластомеров –

8 бластомеров → бластоциста

Dietrich et al., 2007

Cdx2

DNA

эпибласт
гипобласт
трофобласт

Nanog

E 3.5

E 4.5

8 бластомеров –

Самоорганизация в развитии эмбриона

Усложнение через бифуркации

Бифуркация

Одно устойчивое состояние

Неустойчивое состояние

Два новых устойчивых состояния

Порядок из хаоса Постепенная детерминация паттернов экспрессии генов (мышь)

Plusa et al., 2008

Dietrich et al., 2007

эпибласт
гипобласт
трофобласт

Порядок из хаоса Периоды вариабельности в экспрессии генов
(мышь)

Cdx2

Nanog

Oct4

E 3.5

E

Bedzhov et al., 2015

Формирование бластоцисты

Разделение на эпибласт и гипобласт

Мышь: поздняя бластоциста (до имплантации)
Механизмы сегрегации клеток

Механизмы разделения на эпибласт и гипобласт

Мышь: поздняя бластоциста (до имплантации)

Artus et

Человек формирование бластоцисты

Морфология эмбриона

Экспрессия генов

Deglincerti et al., 2016
Shahbazi et al., 2016

Разделение на эпибласт и гипобласт

Человек:
Бластоциста – паттерн экспресии “salt and pepper”
Имплантация

Самоорганизация в развитии эмбриона

Усложнение через бифуркации

Бифуркация

Одно устойчивое состояние

Неустойчивое состояние

Два новых устойчивых состояния

Сегрегация клеток ВКМ: эпибласт и гипобласт (человек)

DPF 6—7

DPF 8

Shahbazi et al., 2016

Морфогенез: образование полостей

Человек: в период имплантации
Сегрегация клеток EPI (эпибласт) и PE (первичная

Формирование про-амниотической полости

Образование базальной мембраны вокруг эпибласта
Поляризация клеток эпибласта под действием

Формирование полостей – процесс пространственной самоорганизации

Актин

Bedzhov et al, 2014

Oct4 – маркер

Формирование полостей – процесс пространственной самоорганизации

Актин

Bedzhov et al, 2014

E-cad – плотные

Расхождение апикальных мембран – образование полости (мышь)

Bedzhov et al, 2014

PCX –

Формирование про-амниотической полости

Образование базальной мембраны вокруг эпибласта
Поляризация клеток эпибласта под действием

DPF8—9. Поляризация клеток трофобласта, экспрессия маркеров цитотрофобласта (CK7)

Shahbazi et al., 2016

Трофобласт

Два типа процессов в развитии эмбриона

Детерминированные – Структурно-устойчивые пути

Стохастическая динамика – Периоды

Двоякая роль обратных связей:

Стабилизирующая – структурно- устойчивые пути развития (креоды)
Детабилизирующая – области стохастической динамики

Konrad

Физика сегодняшнего дня освещает менее половины нашего предмета…

…но серп растет