Frjóvgaða eggið hefur nú skipt sér fimm sinnum í kviðarholi móðurinnar og samanstendur nú af 16 frumum. Þó er einn hængur á.
Frumuklasinn er hnöttóttur og líkt og við á um bolta er ekkert sem snýr upp og niður, né heldur fram og aftur. Fyrir bragðið er engin leið fyrir frumurnar að átta sig á hvort þeim sé ætlað að verða höfuð eða sé ætlað að stefna að því að verða hryggur, magi eða fætur.
Enginn tími má fara til spillis, því ef samhverfan er ekki rofin áður en frumurnar ná að skipta sér aftur missir konan þetta lögunarlausa fóstur.
Til allrar hamingju er hjálp að hafa frá ógrynni örsmárra vatnsdropa sem fljóta á milli frumnanna og renna smám saman allir í einn stakan dropa sem stækkar stöðugt.
16 frumum samanstendur fóstrið af þegar dropar byrja að ýta frumunum á rétta staði.
Jafnframt því sem dropinn stækkar ýtir hann við frumunum í kring og þvingar þær yfir að hinum enda fóstursins. Þar með er frumuklasinn kominn með framhlið sem snýr að dropanum og afturhlið sem snýr að úthliðinni.
Samhverfan hefur með öðrum orðum verið rofin og einstaka frumur vita nú hver staðsetning þeirra er í fóstrinu og geta fyrir bragðið hafist handa við að sérhæfa sig í að þroskast sem lítið barn.
Frjóvgaða eggið skiptir sér og festir sig við legið. Að viku liðinni hefur myndast hnöttóttur bolti sem felur í sér 16 frumur.
Það var ekki fyrr en á allra seinustu árum sem vísindamenn fóru að átta sig á hversu mikilvægt hlutverk allt þetta pot og tog er og hvaða áhrif aðrar utanaðsteðjandi hreyfingar hafa á þroska fóstursins og sjálfs líkamans.
Á meðan sumum frumum er ýtt á réttan stað af völdum vatnsdropa, senda aðrar frumur út griparma og toga sjálfar sig á réttan stað. Og á meðan taugafrumur heilans vaxa í því skyni að mynda nýjar tengingar rekast þær bókstaflega á vegg í formi annarra frumna sem hefta leiðina og þvinga þær til að velja tilteknar leiðir.
Því miður fylgja ekki allar frumur lögmálum hreyfiaflfræðinnar. Krabbameinsfrumur hunsa gagngert þrýstinginn sem heftir vöxt annarra frumna og þetta gerir þær lífshættulegar.
Vatnsdropar stugga við frumunum
Árið 2019 uppgötvaði franski líffræðingurinn Jean-Léon Maître við Sorbonne-háskóla í París hvernig vatnsdropar ýta við frumum í fóstrum músa. Hann skoðaði fóstrin í smásjá og varð vitni að taktbundnu ferli þar sem örsmá holrúm mynduðust í frumuveggjum milli tveggja nágrannafrumna og hurfu síðan aftur innan örfárra mínútna.
Þegar hann skolaði fóstrin með vatni sem var litað með sjálflýsandi efni komst hann að raun um að fóstrin soguðu vatn til sín úr umhverfinu þegar holrúmin mynduðust. Þegar holrúmin stuttu síðar skruppu saman og hurfu, sendu þau litaða vökvann yfir í nærliggjandi holrúm sem var í bígerð.
Frekari rannsóknir leiddu í ljós að litlu holrúmin mynduðust þegar próteinin sem binda tvær nærliggjandi frumur saman, losuðu takið hvert á öðru og leyfðu þannig vökva að seytla inn í millibilið. Þegar próteinin stuttu síðar gripu hvert í annað og drógu frumurnar saman þrýstist vatnið aftur úr þeim.
Vatnsdropar veita fóstrum rétta lögun
Á fyrsta stigi þróunarinnar er frumuklasinn algerlega samhverfur. Til að ljá fóstrinu fram- og afturhlið er nauðsynlegt að rjúfa þessa samhverfu og verkefni þetta leysa örsmáir dropar.
1. Frumuklasinn er með kúlulögun
Frjóvgaða eggið myndar á fyrstu viku meðgöngunnar kringlótta kúlu sem samanstendur af 16-32 frumum. Kúlan er algerlega samhverf og engin leið er að sjá hvað á að verða höfuð eða hali, né heldur fram- eða afturhlið á þessu upprennandi fóstri.
2. Dropar þröngva sér leið inn milli frumnanna
Fóstrið er umkringt fósturvökva sem byrjar að þröngva sér leið inn milli frumnanna í hringlaga klasanum. Dropunum fjölgar smám saman og þeir hreyfast stöðugt í skilrúmunum milli frumnanna.
3. Holrúm rjúfa samhverfuna
Vatnsdroparnir safnast í vökvafylltu holrúmi sem stækkar óðum og þrýstir öllum frumum fóstursins í aðra áttina. Framhlið fóstursins snýr nú að holrúminu og bakhliðin snýr að ytri hlið klasans.
Niðurstaðan varð sú að vatnið barst frá umhverfinu og var því dælt meðfram frumunum þangað til það safnaðist fyrir í einu holrúmi. Holrúmið óx smám saman og stækkaði og að örfáum klukkustundum liðnum fyllti það helming fóstursins sem með því móti hafði rofið samhverfa lögun sína.
Vísindamenn hafa löngum vitað að þegar samhverfan fyrst rofnar, ræðst það hvaða hlutar fóstursins verða að baki og maga en það var hins vegar ekki fyrr en Jean-Léon Maîtres gerði tilraun sína sem í ljós kom með hvaða hætti ósamhverfan myndast.
Fóstrið fær á sig höfuð og hala
Hins vegar er ekki nægilegt að fóstrið sé með fram- og bakhlið. Einnig þarf að vera ákvarðað hvað síðar meir á að snúa upp og niður, auk þess sem vera verður ljóst hvað á að verða höfuð og hvað hali. Árið 2017 gat lífeðlisfræðingurinn Otger Campàs við Kaliforníuháskóla slegið því föstu í eitt skipti fyrir öll hvernig þetta á sér stað.
LESTU EINNIG
Campàs blandaði segulmögnuðum nanóögnum í olíu og sprautaði örsmáum dropum vökvans í ung fóstur sebrafiska sem á því stigi höfðu einvörðungu myndað fram- og afturhlið. Með því að notast við segulsvið tókst honum að láta olíudropann breyta um lögun, eins og hann sjálfur kaus og honum tókst meira að segja að velja hvaða frumum í grenndinni segulmagnaði dropinn ýtti við.
Í ljós kom að auðvelt reyndist að láta segulmagnaða dropann ýta við frumum þess hluta fóstursins sem örfáum dögum seinna átti eftir að verða að hala en frumurnar nánast flutu hver innan um aðra. Í hinum enda fóstursins sem síðar meir átti eftir að verða að höfði, voru frumurnar hins vegar alveg stöðugar og streittust á móti þegar stuggað var við þeim.
Með því að sprauta segulmögnuðum nanóögnum inn í fóstur sebrafiska tókst vísindamönnum að ýta við frumunum með segulsviði og þeir gátu síðan fylgst með hvernig fóstrið myndaði höfuð og hala.
Otger Campàs dró þá ályktun að einhver starfsemi sem hann enn ekki kunni neina skýringu á, léti frumurnar greinilega sleppa takinu hver á annarri á öðrum enda fóstursins og greiða þannig leið fyrir að halinn gæti stækkað í einmitt þá átt.
Nokkuð þessu áþekkt á sér stað þegar heilinn, síðar meir á fósturstiginu og alveg fram á fullorðinsár, þroskast með því að taugafrumurnar mynda taugatengingar hver við aðra, svo úr verða flókin net. Þetta krefst þess að einn taugaþráður stækki sem nemur 20 cm upp gegnum ringulreið af taugafrumum til þess að hann geti endað á alveg tilteknum stað og myndað tengingar þar.
Kristian Franze við háskólann í Cambridge sem kallar sig taugavélfræðing, ákvað árið 2019 að reyna að komast að raun um með hvaða hætti taugaþræðirnir komast leiðar sinnar. Í því skyni að leiða þetta mál til lykta þróaði hann sérlega smásjá sem fylgst gat með vexti taugaþráðanna og þreifað sig áfram og kannað hörku heilavefsins.
Smásjáin mælir hörku vefsins með einkar þunnri og sveigjanlegri fjöður sem þreifar sig ofur varfærnislega áfram. Rannsóknirnar leiddu í ljós að hluti heilavefsins verður harðari um það bil 18 mínútum áður en taugaþráðurinn kemst leiðar sinnar að honum.
Frekari rannsóknir leiddu í ljós að harkan myndast vegna þess að aðrar gerðir heilafrumna, m.a. svonefndar taugatróðir, byrja að skipta sér hratt og mynda þannig harðan múr sem hleypir nánast engu í gegn. Þetta gerir það að verkum að taugaþráðurinn á engra annarra kosta völ en að lengjast meðfram múrnum þar til hann hugsanlega mætir öðrum múr og er þvingaður til að beygja af leið.
LESTU EINNIG
Kristian Franze gat sýnt fram á að hægt væri að sprauta efnum sem koma í veg fyrir frumuskiptingu inn í heilann til þess að múrar þessir mynduðust ekki. Niðurstaðan var sú að taugaþræðirnir töpuðu áttum og gátu ekki komist leiðar sinnar.
Hjartafrumurnar toga hver í aðra
Í sumum ferlum er hreyfiorkan milli tveggja frumna einkar greinileg. Þetta á t.d. við um fyrstu þróun hjartans. Ferli þetta hefur verið rannsakað í fóstri bananaflugunnar þar sem tvö lög af frumum leggjast hvort yfir annað til að mynda pípuna sem síðar meir verður að hjartanu.
Hér skiptir sköpum að frumur beggja laga séu nákvæmlega stilltar, hvor með tilliti til annarrar og að lögin skarist ekki hið minnsta. Árið 2020 tókst Timothy Saunders við National háskólann í Singapúr að komast að raun um hvernig þetta mikla nákvæmnisverk fer fram.
Saunders er sérfræðingur á sviði hreyfilíffræði og beitti hann háþróaðri tækni sem gerði það að verkum að sumar frumurnar lýstu upp í sjálflýsandi litum sem síðan voru skoðaðar í mjög nákvæmri smásjá. Rannsóknirnar leiddu í ljós að frumurnar í lögunum tveimur mynduðu langan útvöxt, með eins konar vöðvatrefjum innan í sem gripu hver í aðra og toguðu lögin á réttan stað.
Líffærin byrja að mótast örfáum vikum eftir getnaðinn og hjartað fer að slá í fyrsta sinn.
Þetta afrek reyndist þó vera flóknara en svo. Ef lögin tvö í upphafi höfðu hliðrast lítið eitt miðað við hvort annað var ógerlegt fyrir frumu í öðru laginu að vita hvort henni væri ætlað að toga í frumuna á ská til hægri eða þá á ská til vinstri.
Rannsóknir leiddu í ljós að nágrannafrumur í báðum lögum skiptast á að framleiða lítið eða mikið af tiltekinni sameind sem kallast Fas3 á fjögurra mínútna fresti en sameind þessi gegnir hlutverki eins konar frumulíms. Á tilteknum tíma kann sem sé að vera mikil framleiðsla af Fas3 í frumu annars lagsins og jafnframt er um að ræða útvexti sem bindast tveimur frumum í laginu fyrir ofan.
Aðeins önnur þessara frumna mun hins vegar framleiða sama mikla magn af frumulími og fyrir vikið geta haldið fast í maka sinn úr öndverðu frumulagi. Þessar tvær frumur munu nú beita vöðvatrefjum útvaxtanna til að draga sig hvora nær annarri.
Á hinn bóginn munu tvær gagnstæðar frumur sem búa yfir mikilli og lítilli framleiðslu frumulímsins Fas3, sleppa takinu á hvor annarri. Með þessu móti tryggir væntanlegt hjarta að frumulögin tvö séu toguð á réttan stað og séu nákvæmlega hvort á móti öðru, líkt og ætlunin er.
Líffæri fósturs myndast með því að ýtt er í það og togað
Til þess að fóstrið geti þroskast á réttan hátt þurfa allar nýju frumurnar að finna sinn rétta stað. Hjartafrumurnar mynda tvær raðir og taugarnar vaxa á þeirri braut sem frumurnar
1. Stofnfrumur reika líkt og amöbur
Stofnfrumunum er ætlað að reika um og leggja grunn að líffærunum. Frumurnar losa frumvegginn (grænt) öðrum megin þannig að út vex blaðra. Blaðran festir sig við undirlagið á meðan hinn hluti frumunnar losar takið og fylgir með blöðrunni.
2. Hjartafrumur toga sig á réttan stað
Til þess að hjartað geti myndast þurfa frumulögin tvö að vera staðsett nákvæmlega andspænis hvort öðru. Þetta er tryggt með því móti að önnur hvor fruma (rautt) framleiðir tiltekið efni. Frumurnar toga sig yfir til þess samherja á móti sem er nákvæmlega eins og þær sjálfar.
3. Frumur vísa veginn fyrir sjóntaugina
Þegar sjóntaugin vex frá auganu að bakhluta heilans opna frumurnar umhverfis leið fyrir hana. Sumar frumurnar mynda þéttan vef sem heftir taugina líkt og múr en aðrar mynda hins vegar lausan vef sem taugin getur vaxið í.
Húðfrumur skipta sér þegar togað er
Frumur geta brugðist við hreyfiáhrifum með mismunandi móti. Stofnfrumur húðarinnar byrja t.d. að skipta sér þegar togað er í þær. Þetta má m.a. sjá þegar við fitnum og maginn stækkar. Magahúðin tognar út og til þess að húðin slitni ekki verða að myndast fleiri húðfrumur sem þakið geta allan magann.
Stofnfrumulíffræðingurinn Mariaceleste Aragona sem nú starfar við háskólann í Kaupmannahöfn, sýndi fram á með tilraunum á músum í fyrra að stofnfrumurnar byrja að skipta sér um það bil sólarhring eftir að húðin er strekkt.
Enn er ekki vitað fyrir víst hver sé líffræðilega skýringin á því með hvaða móti hreyfiaflið hefur áhrif á frumurnar og fær þær m.a. til að skipta sér. Kínverskir vísindamenn hafa fylgst mjög grannt með fyrirbærinu en árið 2015 reyndu þeir að komast að raun um hvers vegna meiri brjóskframleiðsla verður í liðum ef beinin verða fyrir álagi.
Þessi viðbrögð reynast afar gagnleg sökum þess að brjóskið virkar líkt og höggdeyfir og getur fyrir bragðið dregið úr skemmdum á hreyfilíffærum þegar líkamlegt álag eykst.
Hreyfiaflið veldur því að liðir mynda meira brjósk því þrýstingurinn kveikir á ákveðnum genum.
Kínversku vísindamennirnir komust að raun um að frumukjarninn virkjast einhverra hluta vegna þegar þrýstingur myndast á beinstofnfrumur og tveir erfðavísar verða virkari en ella. Um er að ræða erfðavísana Rac1 og RhoA. Aukaleg virkni erfðavísisins RhoA örvar framleiðslu nýrra beinfrumna á meðan aukaleg virkni Rac1 hrindir af stað framleiðslu á brjóski.
Í þessu tilviki haldast hreyfiöflin í hönd með erfðavísunum og þetta er sennilega skýringin á því af hverju krabbameinsfrumur eru jafn skaðlegar og raun ber vitni.
Krabbameinsfrumur hunsa aðrar frumur
Einn grundvallareiginleiki allra heilbrigðra frumna í líkamanum er ferli sem nefnist snertihefting. Þetta táknar að hreyfiáhrifin valda því að frumuskiptingarferlin stöðvast þegar frumur stækka og liggja smám saman mjög nálægt hver annarri.
Með þessu móti kemur líkaminn í veg fyrir að frumur úr tveimur ólíkum vefjum eða líffærum vaxi saman og valdi skemmdum hver á annarri. Þessi nytsamlega snertihefting stjórnast af erfðavísunum pRb og p53 sem virkjast með hreyfiafli. Þessir erfðavísar kallast einnig æxlisgen en með því er átt við gen sem valda krabbameini ef þau verða fyrir stökkbreytingu.
LESTU EINNIG
Þegar stökkbreytingar gera erfðavísana pRb eða p53 óvirka í tiltekinni frumu minnkar snertihefting frumunnar. Þetta gerir það að verkum að vöxtur hennar heftist ekki lengur þó svo að hún rekist á aðrar frumur. Margar krabbameinsfrumur eru einmitt með stökkbreytingu í þessum tveimur erfðavísum og er það ástæða þess að krabbameinsæxli dreifast með svo skaðlegum hætti í líkamanum.
Vísindamenn velta því nú fyrir sér hvort þeir geti nýtt sér þessa nýju þekkingu um hreyfiverkun frumnanna á hver aðra til að þróa ný meðferðarúrræði. Hugsanlega verður einhvern tímann hægt að nýta tæki eða áhöld sem pota, þrýsta eða toga í sýktar frumur með það fyrir augum að fá þær til að hegða sér á ákjósanlegri hátt. Eða þá getur hugsanlega orðið unnt að nota nokkra dropa af vatni á réttum stað og tíma til að fá líkamann til að starfa fullkomlega.
