سلول‌ها چگونه موقعیت خود و نقششان در بدن را می‌فهمند؟

آلن تورینگ، که واژه مورفوژن را برای اولین بار ابداع کرد، نظریه‌ای جالب و پیشرفته مطرح کرد. او بیان داشت که الگوهای پیچیده‌ای مانند لکه‌های روی پوشش پلنگ، می‌توانند تنها به وسیله دو عامل که به طور متقابل یکدیگر را متعادل می‌کنند، شکل بگیرند. این دو عامل یکی به عنوان محرک و دیگری به عنوان مهارکننده عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، یکی از این مولکول‌ها به رشد و توسعه سلول‌ها در یک منطقه خاص کمک می‌کند، در حالی که دیگری از رشد بیش از حد آن جلوگیری می‌کند. این تعادل میان دو عامل باعث ایجاد الگوهایی پیچیده و هماهنگ در بدن می‌شود. این ایده به‌طور گسترده‌ای پذیرفته شد و به عنوان یکی از نظریات کلیدی در زیست‌شناسی مطرح گردید، اما اثبات آن تنها در سال ۲۰۱۴، شصت سال پس از مرگ تورینگ، با انجام آزمایشاتی در آزمایشگاه‌ها ممکن شد.

با اینکه ایده مورفوژن‌ها برای اولین بار در اوایل قرن بیستم مطرح شد و سپس توسط آلن تورینگ در دهه ۱۹۵۰ تکمیل و توسعه یافت، شناسایی اولین مورفوژن‌ها تا سال ۱۹۸۰ ممکن نشد. این پیشرفت به‌خاطر تلاش‌های علمی بسیار، به ویژه کارهای کریستیان نُسلین-فولهاد، ممکن گردید که در سال ۱۹۹۵ به‌خاطر کشف مورفوژن‌ها در مگس‌های میوه، جایزه نوبل پزشکی را دریافت کرد.

جالب است که این کشف اولیه تنها در مگس‌های میوه اتفاق افتاد و در آن زمان مورفوژن‌های انسانی هنوز شناسایی نشده بودند. بعداً، با پیشرفت‌های علمی بیشتر، مورفوژن‌های مربوط به انسان‌ها نیز شناسایی شدند، که این خود به درک بهتری از فرآیندهای بیولوژیکی پیچیده مانند رشد و شکل‌گیری اندام‌ها در انسان و دیگر موجودات زنده منجر شد.

اسید رتینوئیک، که به عنوان یک مورفوژن اولیه شناخته می‌شود، نقش بسیار مهمی در این فرآیند ایفا می‌کند. این مولکول می‌تواند یکی از انتهای جنین را به عنوان سر و انتهای دیگر را به عنوان بخش عقبی یا دم شناسایی کند. در حقیقت، اسید رتینوئیک به سلول‌ها دستور می‌دهد که در این ساختار کلی، کجا قرار دارند و باید به کدام بخش تبدیل شوند. به علاوه، این مورفوژن باعث فعال شدن ژن‌های خاصی به نام Hox می‌شود که مسئول تنظیم فرآیند رشد سلول‌ها هستند. این ژن‌ها به سلول‌ها کمک می‌کنند تا خود را به گونه‌ای توسعه دهند که مناسب با موقعیت خاص‌شان در بدن باشد، به طوری که هر سلول در نهایت به اندام یا بخشی از بدن تبدیل شود که نیاز است، مانند سلول‌های کبد، مغز یا استخوان.

زیست‌شناسی به طور طبیعی فرآیند توسعه شکل بدن را آغاز می‌کند و پس از شروع این فرآیند، اسید رتینوئیک وارد عمل می‌شود و نقش‌های جدیدی را در بدن ایفا می‌کند. یکی از این نقش‌ها، تنظیم عملکرد سیستم ایمنی و کمک به تولید اسپرم است. به عبارت دیگر، اسید رتینوئیک پس از کمک به شکل‌گیری ساختارهای اولیه بدن، در فرآیندهای دیگری نیز دخیل می‌شود.

زمانی که بدن در حال رشد است و می‌داند که کجا کدام بخش قرار دارد و چگونه باید ساختارهای مختلف تشکیل شوند، مورفوژن‌های دیگری وارد عمل می‌شوند تا فرآیند رشد را دقیق‌تر هدایت کنند. یکی از این مورفوژن‌ها، پروتئین سونیک هِج‌هاگ است که نقش بسیار مهمی در سازمان‌دهی سیستم عصبی مرکزی و توسعه اندام‌ها دارد. این پروتئین به سلول‌ها کمک می‌کند تا در محل مناسب خود قرار گیرند و به ساختارهای پیچیده‌ای مانند مغز، نخاع و اندام‌های مختلف تبدیل شوند.

حداقل ۱۳ نوع پروتئین مورفوژن استخوانی شناخته شده‌اند که همان‌طور که از نامشان پیداست، فرآیند ساخت استخوان‌ها را کنترل می‌کنند. این پروتئین‌ها به سلول‌ها دستور می‌دهند که نسبت به سایر سلول‌ها کجا قرار دارند و به همین دلیل، شکل مورد نظر خود را می‌گیرند. علاوه بر این، آن‌ها بر تشکیل غضروف تأثیر می‌گذارند و بسیاری از بافت‌های دیگر بدن را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

با وجود این که فهرست مورفوژن‌ها کامل نیست، نشان داده شده که بسیاری از سلول‌ها به‌ویژه در اندام‌های پیچیده‌ای مانند مغز به چندین گرادیان مورفوژن مختلف پاسخ می‌دهند.

با وجود همه این سازوکارها، باز هم نمی‌توان تضمین کرد که هر سلول دقیقاً در جای درست خود قرار بگیرد. به همین دلیل، سلول‌ها به‌طور مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و اطلاعات لازم را رد و بدل می‌کنند تا فرآیند رشد و توسعه بدن به‌طور دقیق انجام شود.

تبادل اطلاعات میان سلول‌ها به سلول‌ها کمک می‌کند تا هماهنگ با یکدیگر عمل کنند و هرکدام به وظیفه‌ خود در ساختار کلی بدن بپردازند. یکی از نمونه‌های شناخته شده این فرآیند، در توسعه بال‌های مگس میوه مشاهده شده است. در این حشره، سلول‌ها به‌طور هماهنگ و دقیق با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند تا الگوی خاص و منظم بال‌ها شکل بگیرد.

با وجود تمام این مکانیزم‌ها، گاهی اوقات همه چیز طبق برنامه پیش نمی‌رود. تراتوم‌ها تومورهای عجیبی هستند که وقتی به‌وجود می‌آیند که سلول‌ها در جایی از بدن که اصلاً مناسب این ساختارها نیست، به چیزهایی تبدیل می‌شوند که نباید بشوند؛ (مثل دندان یا توده‌ای شبیه مغز). این وضعیت مثل وقتی است که یک فرد بی‌تجربه فکر می‌کند بیشتر از متخصص می‌فهمد.

علاوه بر مولکول‌ها، سلول‌ها ممکن است از روش‌های دیگری نیز برای تنظیم بیان ژن‌ها استفاده کنند. یکی از این روش‌ها، استفاده از میدان‌های الکتریکی یا سیگنال‌های مکانیکی است. این سیگنال‌ها می‌توانند به سلول‌ها کمک کنند تا میزان بیان ژن‌ها را افزایش یا کاهش دهند، بسته به نیازهای خاص بدن در هر لحظه. با این حال، چگونگی دقیق وقوع این فرآیندها و میزان تأثیرگذاری آن‌ها هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است و نیاز به تحقیقات بیشتری دارد تا به درک بهتری از این مکانیسم‌ها دست یابیم.