Garapenaren biologia

Garapenaren biologiak organismoek jasaten dituzten hazkuntza eta eraldaketa prozesuak aztertzen ditu. Hau da, organismoen (animalia zein landare) ontogenia aztertzen duen biologiaren adarra da. Garapenaren bidez bizidunen dibertsitate zelularra mantentzea lortzen da. Prozesu hauek organismoen bizitza osoan zehar ematen dira. Garapenaren ikerketa maila biologiko desberdinetan egin daiteke (zelularra, ekologikoa, genetikoa…), beste zientzia (medikuntza, kimika) eta biologiaren arloekin (biokimika, fisiologia, ekologia) lotura estua mantenduz. Garapenaren biologia oinarrizkoa bihurtu da bizia zein bizidunak ulertzeko.

Garapenaren biologiaren interes nagusiak honakoak dira: zelulen desberdintzapena (zelula batetik beste hainbat desberdin sortzea), morfogenesia (zelulen kokapen espezifikoa forma ordenatu bat eratzeko), hazkuntza (zelula zatiketaren erregulazioa), ugalketa (gametoen eraketa eta elkarrekintza), eboluzioa (aldaketen transmisioa) eta ingurune-integrazioa (ingurunearen eragina garapenean).

Garapen historikoa 
Garapenaren biologiak enbrioi sinpleetatik organismo helduen gorputz konplexuak garatzeko prozesuak aztertu ditu. Prozesu hauekiko ikuspuntuak oso aldakorrak izan dira historian zehar.  

Antzinako Grezian, Aristotelesek enbrioiaren formakuntzaren lehen hausnarketak plazaratu zituen, berezko sorkuntza proposatuz biziaren jatorrirako. Enbrioiaren jatorrizko forma arrazoitzeko bi hipotesi planteatu zituen: preformazionismoa eta epigenesia. Preformazionismoaren arabera lerro germinaleko zeluletan (gametoak ematen dituzten zelulak) organismo osoak aurre-finkaturik daude eta garapenaren bidez handitu egiten dira. Aldiz, epigenesia formarik gabeko zigoto batetik garatutako enbrioietan oinarritzen da.  Gainera, Aristotelesek ere obiparitate, bibiparitate eta obobibiparitatearen arteko lehen ikerketak egin zituen. Era berean, zelula zatiketa desberdinak behatu zituen: holoblastikoa, zigoto osoak zatiketan parte hartzen duenean (ugaztunak, igelak…); eta meroblastikoa, zigotoaren zitoplasma proportzioa handia denean, nukleoa bakarrik zatitzen da (txitak...). Haren proposamenek denbora luzez iraun zuten gizartean, preformazionismo eta epigenesiaren arteko eztabaida mendeetan jarraituz.  

XVII. mendean William Harvey-ek animalia guztiak arrautzetatik sortuak direla proposatu zuen (Ex ovo omnia),  Aristoteles-en berezko formakuntza bazterraraziz. Blastodermoaren lehen behaketa egin zuen ere bai. Hala ere, lehen mikroskopioak asmatu arte enbriologiaren inguruko ideiak ezin izan ziren frogatu. Mende berean, Marcello Malpighi-k txitaren garapenaren lehen deskribapenak egin zituen.

Preformazionismoaren eta epigenesiaren eztabaida sutsuak mendeetan zehar iraun zuen. XVIII. mendean preformazionismoa nagusitu zen.  Bitartean, Wolff-ek organismo helduetan agertzen diren hainbat ehun enbrioietan baliokiderik ez zutela frogatu zuen. Hala ere, enbrioiaren garapena zuzen zezakeen indar ezezagun bat proposatu zuen, vis essentialis (“indar bitala”), belaunaldi bakoitzean indibiduo berriak lortzeko arrazoia lortuz. 

Christian Pander, Von Baer eta Rathke-n artean enbriologia zientziaren adar berri bihurtu zuten. Haiek txiten zein ornogabeen enbrioiak aztertu zituen. Hiru geruza germinalak aurkitu eta izendatu zituzten (ektodermoa, mesodermoa eta endodermoa). Gainera, geruzen arteko elkarrekintza aztertu zuten, hainbat organo geruza desberdinez osaturik zeudela aurkituz. Aldi berean, ornodunen enbrioien garapenen arteko antzekotasunak aztertu zituzten, arku faringeoen, garezurraren eta hainbat aparaturen garapen parekatuak aurkituz. Aurkikuntza hauek egin ahala epigenesia indarra hartuz joan zen. Bestalde, Von Baer-ek Pander-en ikerkuntzarekin jarraitu zuen, notokorda aurkituz. 

XIX. mendean eztabaida amaitu egin zen teoria zelularraren plazaratzearekin. Schleiden-ek eta Shwann-ek bizidun guztien oinarrizko egitura zelula dela finkatu zuten; eta ondorioz, zeluletatik sortuak badira, zelula berrietan zatitu behar dira zelula eta ehun mota berriak eratzeko. Hau da, izakien garapena epigenesiz gertatzen dela egiaztatu zuten. Gainera, Mendel-en aurkikuntzei esker, kromosoma herentzia genetikoaren unitate gisa finkatu zen. 

Azkenean, aurrerapen teknologikoei esker, XX. mendean enbrioi-indukzioa aurkitu zen. Hau da, garapena koordinatzeko, elkarren ondoko zelulek seinaleen bidez besteen jarduera, zikloa eta forma aldaraz dezaketela deskribatu zen. Garai berean, gizakiaren lehen in vitro jaiotza eman zen. Gainera, 1986an garapenerako oinarrizkoa den apoptosia deskribatu egin zen.

Garapen mekanismoak

Eskualde-espezifikazioa 
Aurretik zeuden antzeko zelula multzoetatik organismo oso bat eratzeko sortzen diren patroiak bilatzean datza. Hau da, animalien kasuan, enbrioiak fase goiztiarrean blastula edo blastodermo izeneko zelula berdinez osaturik daude. Zelula hauek kokapen zehatzetan programatzen dira organismoaren atal espezifiko bat osatzeko (burua, buztana…). Aldaketa hauek emateko molekula erregulatzaileak blastularen inguruan kokatzean hasten dira. Ondoren, zelularteko seinalizazioaren (indukzio enbrionarioaren) bidez, garapena kontrolatzen duten geneek zonaldeka erregulatzen dute prozesu hau. Enbrioiaren zonaldearen arabera geneak aktibatu edo inhibituko dira.

Desberdintzapen zelularra 

Zelula funtzional mota desberdinak garatzearen mekanismoa da. Ornodunetan 200 zelula mota espezializatu baino gehiago aurki daitezke (epitelialak, hematopoietikoak, neuronalak, etab.), guztiak enbrioiko zeluletatik eratorriak. Gene espezifikoen adierazpenak proteina bereziak izatea eragiten du, zelulak elkarrengandik desberdinduz. Hau da, zelulen funtzioaren arabera, proteina batzuk beharko dira, gene batzuen espresioa bultzatuz. Desberdintzapena bizitza osoan zehar ematen da, zelula ametatik beste zelula motak berritzea lortuz. Geneen adierazpenaren erregulazioa eta mantenua aztertu behar dira.

Morfogenesia 
Organismoa edo organoak berezko forma espaziala hartzeko ematen diren zelula eta ehunen eraldaketak dira. Mugimendu hauek zelulen ezaugarri fisikoen araberakoak izango dira (dinamika, biskositatea, elastikotasuna…). Prozesu honen bidez oinarrizkoak diren hiru geruza germinalak eratzea lortzen da (ektodermoa, mesodermoa eta endodermoa), horien elkarrekintzetatik organismoa osatzen duten ehun eta atal guztiak garatzen dira. Enbrioi garapenaz gain, ehun-berriztapen ugariko eskualdeetan ere mantendu egiten da (minbizi zelulak). Prozesu hau hasteko erantzun morfogenetikoa aktibatu behar da, endogenoez gain (organismo barruan sortutako substantziak), inguruneko substantzia kimikoek, morfogenoek (toxikoak, erradiazioa…) edota ehunen deformazioek eragin dezakete.

Hazkuntza 
Organismo osoa tamainaz handitzea (enbrioi garapena) eta gorputzaren proportzioaren mantenua (organismoa osaturik dagoenean) barneratzen ditu. Hazkuntza modu egokian emateko oinarrizkoa da bi prozesu ematea: apoptosia (zelulen heriotza programatua, zelulak zaharkituta edo kaltetuta daudenean) eta proliferazioa (zelulak handitzea eta ugaltzea edo zatitzea). Bi hauen desorekak hazkuntza modu okerrean ematea edo minbizia garatzea ekar dezake.

Birsorkuntza 

Gorputzeko atal bat galdu ondoren, hau berreskuratzean oinarritzen da. Maila biologiko desberdinetan ematen da: zelula-, ehun- eta organo-mailan. Birsorkuntza enbrioi garaiaren ondoren ematen da, ehunak galtzean. Birsorkuntza osoa (ordezkatutako ehuna berdina denean) edo osagabea (galdutako ehuna ehun konektiboz ordezkatze denean) izan daiteke. Prozesu hau gorputzeko zelulen asexualki ugaltzeko gaitasunean oinarritzen da. Zauriaren inguruko zelulak zatitu egiten dira ehun berria osatuz galdutakoaren tokian. Organismo orok du gaitasun hau, baina ez maila berdinean, landareetan oso ohikoa, narrastietan zenbaitetan behatuta eta hegazti zein ugaztun gehienetan ahalmena txikia izanik.

Garapen prozesua  
Garapena aztertzeko, bizi zikloa lau zatitan banatzen da: enbrioi garaia, larba garaia, ugal-garaia iritsi arteko etapa eta ugal-garaitik heriotzara arteko denboraldia. Organismo multizelular helduak zelula bakarreko zigototik garatzen dira. Horretarako, beharrezkoa da garapen mekanismoak modu jarraitu eta bateratuan ematea.

Enbriogenesia 
Garapenaren lehen fasea enbriogenesia da. Honek zigotoaren, blastularen eta gastrularen eraketa, zein organogenesia barneratzen ditu. Gametoak zelula germinalen meiositik sortutako zelula haploideak dira. Gametoen ernalketak bi nukleoen fusioa eragiten du. Horrela, zigoto izeneko zelula diploidea eratzen da. Simetriaren berezko apurketak espezifikazioa erregulatzen duten molekula erregulatzaileen sintesia eragiten du. Era berean, morfogenoek garapenaren gene erregulatzaileak eraentzen dituzte, enbrioiaren eremu bakoitzean eragin desberdina izanik. Gene homeotikoak modu desberdinetan erregulatzen dira, garapen prozesuak edo enbrioiaren segmentuen (espezializaziora bideratutako gorputzeko atal zehatzak, gehienetan errepikakorrak) antolamendua mugatzen baitute. Gene hauek mutazioak jasan ditzakete, gorputzaren atal desberdinetan transformazio nabariak eraginez. Zelulen morfogenesia eta espezifikazioa hasten dira.

Zigotoa modu oso jarraitu batean zatitzen hasten da, segmentazioz, non zatiketa edo belaunaldi bakoitzaren artean hazkuntza faserik ez dagoen. Segmentazioaren amaieran forma esferikoko zelula multzoa lortzen da, blastula izenekoa. Blastulako zelulek gastrulazio izeneko mugimenduak hasten dituzte, oinarrizko hiru geruza germinalak eratuz. Ektodermoa kanpoko geruza da, ondoren azala eta nerbio sistema bilakatzen dena; mesodermoa erdian kokaturik dago, muskuluak, ehun-konektiboak, iraitz aparatua eta gonadak eratzen dituena; eta barnealdean endodermoa, hesteetako ehun-epiteliala eratzen duena. Era berean, gametoen formaziora bideratutako eskualdea aurki daiteke, zelula germinalez osatuta. Beraz, organismo helduek ere blastulako hiru geruza germinalen oinarrizko antolamendua jarraitzen dute, prozesu morfogenetikoen bidez egitura konplexuagoak eratuz.

Blastulako zelulak berrantolatzen eta zatitzen dira organo eta ehunak eratzen hasteko, organogenesia hasten da. Prozesu hau zelulen mugimenduaren, loturen, kanpoko matrizearen, zatiketen eta uzkurkortasunaren araberakoa da. Organoak geruza germinal desberdinetako zelulez osaturik egon daitezkeenez, migrazio zelularra beha daiteke, blastulako zelulen kokapena aldatu egiten da organoak eratzeko. Bestalde, zelulak eraldatzen direnez, hainbat prozesu ematen dira (inbaginazioak, inboluzioak, kondentsazioak, polarizazioak). 

Prozesu hauek abiadura eta modu aldakorrean gertatzen dira, gehien bat ziklo zelularraren araberakoak. Ziklo zelularrak fase desberdinak ditu: interfasikoa (G0, G1, S, G2 faseak), zatiketen arteko hazkuntzarako denboraldia; eta zatiketa zelularra, mitotikoa eta zitokinesikoa (M fasea). Prozesu hauek kontrol puntu zehatzen bidez erregulatzen dira, enbrioia baldintza egokien pean bakarrik garatzeko aginduak emanez; bestela, kontrol hauetan ziklo zelularra eten egiten da. Gainera, prozesu apoptosikoen bidez zatiketan gerta daitezkeen akatsak zuzen daitezke, baita metamorfosirako baldintzak lortu ere.

Oinarri genetikoa 
Garapen prozesuak maila genetikoan azter daitezke, zein geneek hartzen duten parte eta hauen erregulazioa nola ematen den. 

Garapena aztertzeko oinarrizkoa da fenotipo eta genotipoaren arteko erlazioa ezagutzea. Genotipoa zelulen gene guztiak barneratzen ditu. Hau da, herentzia genetiko osoaren informazioa biltzen du (DNA guztia), aktibaturik edo inhibiturik dauden geneen artean desberdintasunik egin gabe. Aldiz, fenotipoak organismo batean ikusgarriak diren ezaugarriak jasotzen ditu (fisiko zein portaerazkoak). Fenotipoan erabilgarriak edo adierazgarriak diren ezaugarriak bakarrik azaltzen dira. Beraz, fenotipoa genotipoaren menpe dago, genotipoan ezaugarri zehatz baterako generik egon ezean, ezin da fenotipoan aurkitu. 

Genotipoen espresioen desberdintasunak ulertzeko geneen arteko dominantzia harremanak bilatu behar dira. Kontzeptu hauek oinarrizkoak dira mutazioen eragina aztertzeko. Enbriogenesian ematen diren mutazioek eragin desberdina izan dezakete, azpirakorrak edo gaineratzaileak izatearen araberakoa. Orokorrean, ezaugarri baten galera eragiten badute, azpirakorrak dira; aldiz, ezaugarri berri baten sorrera badakartzate, gene gaineratzaile bihurtzen dira. Ezaugarri gaineratzaileak fenotipoan ikusgarri gelditzen dira, azpirakorrak bakarrik genotipoan islaturik gelditzen diren bitartean. 

Mutazioek genoma osoan aldaketak sor ditzakete, organismo desberdinak eratuz. Aldiz, geneen adierazpenaren erregulazioaren bidez, genoma bera mantenduz, funtzio desberdinak betetzen dituzten zelula zein ehunak lor daitezke. Adierazpena mugatzen duten faktoreak DNAren kondentsazio maila, transkripzioa, RNAren prozesamendua eta itzulpena izan daitezke, besteren artean. Prozesu hauek eta haien eragina aztertzeko hainbat teknika erabili izan dira: PCRa, elektroforesiak…

Garapenerako ereduak 
Biologiaren adar honen atal garrantzitsu bat gizakiaren garapena ezagutzera bideratzen da. Hala ere, zaila denez izakien garapena modu zehatz eta kontrolatu batean aztertzea, beste espezieen garapenak aztertu behar dira, animalia guztien garapen orokorra deskribatzeko. Horretarako, mendeetan zehar espezie eredu berdinak behatu dira. Espezie horiek aukeratzeko arrazoi nagusia esperimentaziorako abantaila ugari izatea da. Ezaugarri horien artean eskuragarritasuna, enbrioi ugari lortzeko erraztasuna eta kostu ekonomikoa aurki daitezke, besteren artean. Hortaz, espezie erabilienak honakoak dira: 

 Caenorhabditis elegans, nematodoa
 Drosophila melanogaster (ozpin-eulia), artropodoa
 Danio reria, arraina
 Xenopus laevis, anfibioa
 Gallus gallus (oiloa), hegaztia
 Mus musculus (arratoi arrunta), ugaztuna

Erreferentziak

Bibliografia 
Gilbert, Scott F.. (2005). Biología del desarrollo. Médica Panamericana ISBN 84-7903-912-4. PMC 642193215. (Noiz kontsultatua: 2023-04-26).
Wolpert, L.. (2019). Principles of development. (Sixth edition. argitaraldia) ISBN 978-0-19-880056-9. PMC 1085967387. (Noiz kontsultatua: 2023-04-26).
Slack, J. M. W.. (2022). Essential developmental biology. (4th edition. argitaraldia) ISBN 978-1-119-51285-1. PMC 1157753068. (Noiz kontsultatua: 2023-04-26).

Kanpo estekak 

Wikipedia
Zientzia
Biologia
Enbriologia
Garapenaren biologia