జీవశాస్త్రం అభివృద్ధి

This article is about శాస్త్ర విభాగం గురించి. For అకడమిక్ జర్నల్ గురించి, see Developmental Biology (journal).

Template:TopicTOC-Biology జీవశాస్త్రం - అభివృద్ధి (Developmental biology) అనేది జీవుల పెరుగుదల, మార్పుల గురించి వివరించే ఒక అద్భుతమైన శాస్త్రం. ఒక చిన్న కణం (cell) ఒక పెద్ద ప్రాణిగా ఎలా మారుతుంది అనేది ఈ శాస్త్రం ప్రధానంగా పరిశీలిస్తుంది. ఈ విజ్ఞానం జంతువులు, మొక్కలు రెండింటికీ వర్తిస్తుంది. శరీర భాగాలు దెబ్బతిన్నప్పుడు అవి తిరిగి ఎలా పుడతాయి అనే విషయాన్ని కూడా ఇది వివరిస్తుంది, దీనిని పునరుత్పత్తి (Regeneration) అని పిలుస్తారు. భాగస్వామి లేకుండానే తమను తాము పోలిన పిల్లలను కనిపెట్టే ప్రక్రియ అయిన అలైంగిక ప్రత్యుత్పత్తి గురించి కూడా ఈ శాస్త్రం చర్చిస్తుంది. గొంగళి పురుగు సీతాకోకచిలుకగా మారడం వంటి రూపాంతర ప్రాప్తి (metamorphosis) ప్రక్రియలు ఇందులో భాగమే. శరీరంలోని ఏ అవయవంగానైనా మారగల శక్తి ఉన్న మూల కణాల (stem cells) గురించి కూడా ఇది మనకు వివరిస్తుంది.

అభివృద్ధి జీవశాస్త్రం అనేది కేవలం పుట్టుకతోనే ముగిసిపోదు. ఒక జీవి ముసలితనానికి చేరుకోవడం, కణాల పునరుద్ధరణ వంటి ఎన్నో విషయాలను ఇది చర్చిస్తుంది. ఆధునిక వైద్య శాస్త్రంలో ఈ విభాగానికి ఎంతో ప్రాముఖ్యత ఉంది. ఎందుకంటే జన్యుపరమైన లోపాలు ఎలా వస్తాయి, వాటిని ఎలా నివారించవచ్చు అనే విషయాలు ఈ శాస్త్రం ద్వారానే తెలుస్తాయి.

అభివృద్ధి ప్రక్రియ అవలోకనం (Overview of Development)

ప్రతి ప్రాణి జీవితం మొదట ఒకే ఒక కణంతో ప్రారంభం అవుతుంది. ఈ చిన్న కణం అనేకసార్లు విభజన చెంది చాలా కణాలను తయారు చేస్తుంది. ఇలా తయారైన కణాలు అన్నీ ఒకేలా ఉండవు. అవి ఒకదానికొకటి వేరుగా మారడం ప్రారంభిస్తాయి. ఉదాహరణకు, కొన్ని కణాలు మెదడు కణాలుగా మారితే, మరికొన్ని కణాలు కండరాల కణాలుగా మారుతాయి. శరీరం సరిగ్గా పనిచేయడానికి ఈ ప్రక్రియ చాలా ముఖ్యం.

ఒక పిండం (embryo) పెరిగే క్రమంలో నాలుగు ముఖ్యమైన దశలు ఉంటాయి:

ప్రాంతీయ నిర్ధారణ (Regional specification): ఇది శరీరానికి ఒక పటం (map) గీయడం లాంటిది. శరీరంలో ఏ కణం ఎక్కడ ఉండాలి, అది ఏ అవయవంగా మారాలి అని ఇది నిర్ణయిస్తుంది. దీని వల్లనే తల భాగంలో మెదడు, చేతులు ఉన్న చోట చేతులు ఏర్పడతాయి.

కణ విభేదనం (Cell differentiation): ఈ దశలో కణానికి ఒక నిర్దిష్టమైన పని కేటాయించబడుతుంది. ఒక కణం సంకేతాలను పంపడం నేర్చుకోవచ్చు (నరాల కణం), లేదా కదలడం నేర్చుకోవచ్చు (కండర కణం).

రూప విన్యాసం (Morphogenesis): దీని ద్వారా శరీరానికి ఒక ఆకారం వస్తుంది. కణాలు ఒక క్రమ పద్ధతిలో కదులుతూ అవయవాలకు మూడు కోణాల ఆకారాన్ని (3D shape) ఇస్తాయి.

కణజాల పెరుగుదల (Tissue growth): శరీర పరిమాణం పెరగడాన్ని ఇది సూచిస్తుంది. కణాలు విభజన చెందడం లేదా వాటి పరిమాణం పెరగడం వల్ల శరీరం పెద్దది అవుతుంది.

మొక్కలు కూడా ఇదే విధంగా పెరుగుతాయి, కానీ జంతువులకు మొక్కలకు ఒక పెద్ద తేడా ఉంది. జంతువుల కణాలు శరీరంలో కదులుతాయి, కానీ మొక్కల కణాలు కదలలేవు. మొక్కలు కొన్ని నిర్దిష్ట ప్రదేశాల్లో ఎక్కువగా పెరగడం ద్వారా తమ ఆకారాన్ని మార్చుకుంటాయి.

ప్రాథమిక ప్రక్రియలు (Basic Processes)

కణాలు ప్రత్యేకంగా ఎలా మారుతాయి?

నరాల కణాల ఉత్పత్తిలో నాచ్-డెల్టా వ్యవస్థ (The Notch-delta system in neurogenesis).

కణ విభేదనం అంటే ఒక కణం తనకంటూ ఒక ప్రత్యేక వృత్తిని లేదా పనిని ఎంచుకోవడం. మానవ శరీరంలో వందల రకాల కణాలు ఉన్నాయి. నరాల కణాలు, కండరాల కణాలు, కాలేయ కణాలు ఇలా ఎన్నో రకాలు ఉంటాయి. ఇలా ప్రత్యేకంగా మారిన కణాలు తమ పనిని చేయడానికి కొన్ని ప్రత్యేకమైన ప్రోటీన్లను తయారు చేస్తాయి. ఉదాహరణకు, కండర కణం కదలడానికి సహాయపడే ప్రోటీన్లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

ప్రతి కణం లోపల DNA అనే ఒక సూచనల పుస్తకం ఉంటుంది. ఒక కణం ఏ అవయవంగా మారాలి అనే వివరాలు ఇందులో ఉంటాయి. అయితే, ఒక కణం ప్రత్యేకంగా మారేటప్పుడు, ఆ పుస్తకంలోని అన్ని పేజీలను చదవదు. కేవలం దానికి అవసరమైన భాగాలను మాత్రమే చదువుతుంది. దీనినే 'జన్యు వ్యక్తీకరణ' (gene expression) అంటారు. ట్రాన్స్‌క్రిప్షన్ కారకాలు (transcription factors) అనే ప్రత్యేక ప్రోటీన్లు ఈ జన్యువులను ఆన్ (on) లేదా ఆఫ్ (off) చేయడానికి సహాయపడతాయి. ఉదాహరణకు, NeuroD అనే ప్రోటీన్ నరాల కణాలను తయారు చేయడానికి, myogenin అనే ప్రోటీన్ కండర కణాలను తయారు చేయడానికి తోడ్పడతాయి.

శరీర భాగాలను తిరిగి పెంచుకోవడం (Regrowing Body Parts)

పునరుత్పత్తి (Regeneration) అంటే కోల్పోయిన శరీర భాగాన్ని తిరిగి పెంచుకునే సామర్థ్యం. మొక్కలు ఈ విషయంలో చాలా ముందుంటాయి. కొన్ని మొక్కల చిన్న కొమ్మను కత్తిరించి నాటినా, అది పూర్తి మొక్కగా పెరుగుతుంది. కొన్ని జంతువులకు కూడా ఈ శక్తి ఉంటుంది.

హైడ్రా (Hydra) అనే చిన్న నీటి జంతువు తన శరీరంలోని ఒక చిన్న ముక్క నుండి పూర్తి కొత్త శరీరాన్ని నిర్మించుకోగలదు.

ప్లానేరియన్ అనే పురుగులు రెండు ముక్కలుగా తెగిపోతే, ఆ రెండు ముక్కలు కొత్త తల లేదా తోకను పెంచుకుని రెండు వేర్వేరు పురుగులుగా మారుతాయి.

ఆక్సోలోటల్ (axolotl) వంటి కొన్ని జంతువులు తమ కాళ్లు లేదా తోకలు విరిగిపోయినా తిరిగి పెంచుకోగలవు.

మానవులు కూడా ఇలా శరీర భాగాలను తిరిగి పెంచుకోగలరా అనే విషయంపై శాస్త్రవేత్తలు పరిశోధనలు చేస్తున్నారు. ప్రస్తుతం మానవులు కేవలం చిన్న గాయాలను నయం చేసుకోగలరు లేదా కాలేయం (liver) వంటి కొన్ని భాగాలను మాత్రమే కొంతవరకు తిరిగి పెంచుకోగలరు.

జంతువుల పెరుగుదల (How Animals Grow)

ప్రధాన వ్యాసం: Embryogenesis

మానవ జీవితం ప్రారంభ దశలు.

జంతువుల జీవితం శుక్రకణం (sperm), అండం (egg) కలిసినప్పుడు మొదలవుతుంది. దీనిని ఫలదీకరణం అంటారు. దీని వల్ల ఏర్పడే మొదటి కణాన్ని యుగ్మజం (zygote) అంటారు. ఈ కణం వేగంగా విభజన చెంది ఒక బంతి వంటి కణాల సమూహంగా మారుతుంది, దీనిని బ్లాస్ట్యులా అంటారు. మొదట్లో కణాలు కేవలం విభజన చెందుతాయి కాబట్టి, ఆ బంతి పరిమాణం పెరగదు, కణాల సంఖ్య మాత్రమే పెరుగుతుంది.

ఆ తర్వాత, ఈ కణాల బంతి మూడు పొరలుగా మారుతుంది. ఈ దశను గాస్ట్రులేషన్ అంటారు. ఆ మూడు పొరలు ఇవే:

ఎక్టోడెర్మ్ (Ectoderm): ఇది చర్మం, మెదడుగా మారుతుంది.

మెసోడెర్మ్ (Mesoderm): ఇది కండరాలు, ఎముకలు, రక్తంగా మారుతుంది.

ఎండోడెర్మ్ (Endoderm): ఇది పొట్ట లోపలి భాగం, ఊపిరితిత్తులుగా మారుతుంది.

పిండం పెరుగుతున్నప్పుడు, దానికి ఏ వైపు తల ఉండాలి, ఏ వైపు తోక ఉండాలి అనే విషయం తెలియాలి. దీనిని శరీర అక్షం (axis) అంటారు. పిండంలోని కొన్ని కణాలు రసాయన సందేశాలను పంపుతాయి. ఈ సందేశాల ఆధారంగా కణాలు తాము శరీరంలో ఎక్కడ ఉన్నామో తెలుసుకుని, దానికి తగినట్లుగా అభివృద్ధి చెందుతాయి.

ఆకారం మారడం (Changing Shape)

రూపాంతర ప్రాప్తి (Metamorphosis) అంటే పుట్టిన తర్వాత శరీర ఆకారం పూర్తిగా మారిపోవడం. కప్ప దీనికి ఒక మంచి ఉదాహరణ. ఇది మొదట నీటిలో నివసించే టాడ్‌పోల్ (tadpole) గా ఉంటుంది. ఆ తర్వాత దానికి కాళ్లు రావడం, తోక పోవడం జరిగి నేల మీద నివసించే కప్పగా మారుతుంది. చాలా కీటకాలు కూడా ఇదే విధంగా పెరుగుతాయి. అవి మొదట గొంగళి పురుగులా ఉండి, ప్యూపా దశలోకి వెళ్లి, చివరకు రెక్కలున్న పురుగులుగా బయటకు వస్తాయి.

మొక్కల పెరుగుదల (How Plants Grow)

Further information: Plant development

మొక్కల అభివృద్ధి అంటే వేర్లు, కాండం, ఆకులు ఎలా ఏర్పడతాయి అనే అధ్యయనం. జంతువుల కంటే మొక్కలు చాలా భిన్నమైనవి. మొక్కలు తమ జీవితకాలం అంతా పెరుగుతూనే ఉంటాయి. మొక్కల్లో మెరిస్టెమ్స్ (meristems) అనే ప్రత్యేక భాగాలు ఉంటాయి. ఇక్కడ ఉండే కణాలు ఎప్పుడూ యవ్వనంగా ఉండి, విభజన చెందుతూనే ఉంటాయి.

ప్రాథమిక పెరుగుదల (Primary growth): ఇది మొక్క ఎత్తు పెరగడానికి లేదా వేర్లు లోపలికి వెళ్లడానికి సహాయపడుతుంది.

ద్వితీయ పెరుగుదల (Secondary growth): ఇది చెట్టు కాండం లావుగా మారడానికి సహాయపడుతుంది.

మొక్కలు తమ కణాలను పొడవుగా సాగదీయడం ద్వారా కూడా పెరుగుతాయి. ఒక మొక్క కాంతి వైపు మొగ్గాలంటే, చీకటిగా ఉన్న వైపు కణాలు పొడవుగా పెరుగుతాయి. దీనివల్ల కాండం వంగి కాంతి వైపు వెళ్తుంది. దీనిని ఫోటోట్రోపిజం అంటారు. మొక్కలు తమ పెరుగుదలను నియంత్రించడానికి మొక్కల హార్మోన్లను ఉపయోగిస్తాయి. ఆకులు ఎప్పుడు రావాలి, పువ్వులు ఎప్పుడు పూయాలి అనేది ఈ హార్మోన్లే నిర్ణయిస్తాయి.

పరిశోధనకు ఉపయోగించే జంతువులు (Important Animals for Study)

జీవశాస్త్రం గురించి తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని ప్రత్యేక జీవులను ఉపయోగిస్తారు. వీటిని నమూనా జీవులు (model organisms) అంటారు. ఇవి ప్రయోగశాలలో సులభంగా పెరుగుతాయి.

సాధారణ నమూనా జంతువులు

ఈగ (Fruit fly): ఇవి చాలా వేగంగా పెరుగుతాయి, వీటి జన్యువులను అధ్యయనం చేయడం సులభం.

జీబ్రా ఫిష్: వీటి పిండాలు పారదర్శకంగా (clear) ఉంటాయి, కాబట్టి లోపల అవయవాలు ఎలా పెరుగుతున్నాయో మైక్రోస్కోప్ ద్వారా చూడవచ్చు.

కప్ప: వీటి గుడ్లు పెద్దవిగా ఉంటాయి, కాబట్టి పరిశోధనలకు అనుకూలం.

ఎలుక: ఎలుకలు క్షీరదాలు, కాబట్టి ఇవి మానవులకు చాలా దగ్గరగా ఉంటాయి.

నిమటోడ్: ఇది ఒక చిన్న పురుగు. దీనిలోని ప్రతి కణం ఎలా పెరుగుతుందో శాస్త్రవేత్తలకు స్పష్టంగా తెలుసు.

నమూనా మొక్కలు

అరబిడాప్సిస్ (Thale cress): ఇది ఒక చిన్న కలుపు మొక్క. దీని జన్యువులు చాలా సరళంగా ఉంటాయి, కాబట్టి మొక్కల గురించి తెలుసుకోవడానికి ఇది శాస్త్రవేత్తలకు ప్రధాన ఆధారం.

ఈ శాస్త్రం ఎందుకు ముఖ్యం?

అభివృద్ధి జీవశాస్త్రం మనకు చాలా విషయాల్లో సహాయపడుతుంది. పిల్లలు పుట్టినప్పుడు వచ్చే ఆరోగ్య సమస్యలు ఎందుకు వస్తాయో వైద్యులకు అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది తోడ్పడుతుంది. మూల కణాల పరిశోధనలో ఇది కీలకం. ఒక కణం గుండె కణంగా ఎలా మారుతుందో మనకు తెలిస్తే, భవిష్యత్తులో అనారోగ్యంతో ఉన్నవారి కోసం కొత్త గుండె కణజాలాన్ని ల్యాబ్‌లో తయారు చేయవచ్చు. అలాగే క్యాన్సర్ వంటి వ్యాధులు ఎందుకు వస్తాయో తెలుసుకోవడానికి కూడా ఇది ఉపయోగపడుతుంది. ఎందుకంటే క్యాన్సర్ అంటే కణాలు అదుపు లేకుండా విభజన చెందడమే, ఈ ప్రక్రియను అర్థం చేసుకోవడం ద్వారా నివారణ మార్గాలు కనుగొనవచ్చు.

మూలాలు

== మరింత చదవడానికి ==

Gilbert SF, Barresi M (2023). Developmental Biology (13th ed.). Oxford University Press. Wolpert L, Tickle C (2011). Principles of Development. Oxford University Press.

బయటి లింకులు

సొసైటీ ఫర్ డెవలప్‌మెంటల్ బయాలజీ

ఎంబ్రియో ప్రాజెక్ట్ ఎన్సైక్లోపీడియా