We współczesnej biologii jest tylko pięć głównych tajemnic
Zagadka pierwsza: skąd się wzięło życie?
Biologia - przetłumaczona z greckiej „nauki o życiu” - nie ma pojęcia, skąd wziął się przedmiot jej badań. Sytuacja nie jest wyjątkowa - na przykład fizycy również nie bardzo dobrze rozumieją, jak dokładnie powstała stała Plancka lub siła grawitacji. Ale chyba tylko w biologii pytania o „początek początków” mają tak ostre znaczenie.
Amerykański genetyk pochodzenia radzieckiego Teodozjusz Dobrzhansky powiedział, że nic w tej nauce nie ma sensu, jeśli nie przejdzie przez teorię ewolucji.
Nauki biologiczne opierają się na klasycznych, opisowych dyscyplinach: zoologii, botanice, mikrobiologii itp. I w jakiś sposób jest rzeczą oczywistą, że celem badań każdego z nich jest jak najbardziej szczegółowe wyjaśnienie jednej lub drugiej gałęzi drzewa ewolucyjnego.
Jednocześnie w ciągu ostatnich stu lat ogromna część biologii oddzieliła się od pierwotnej, opisowej nauki i połączyła się z medycyną, tworząc jedną gałąź biomedyczną. Charakteryzuje się innym podejściem, analitycznym. Naukowiec nie tylko opisuje mysz - wszczepia do niej nowe geny i obserwuje wynik. Ale dlaczego tak bardzo interesują nas myszy, małpy i muszki owocowe? Odpowiedź jest prosta: dzięki teorii ewolucji wiemy, że praca organizmu myszy zasadniczo nie różni się od naszej własnej. W rezultacie biologia analityczna ma znacznie więcej praktycznych korzyści niż biologia opisowa.
Ale istnieje trzecia forma biologii, która dopiero zaczyna się wyłaniać w dzisiejszych czasach. Dzisiejszy biolog „analityczny” modyfikuje żywy organizm, aby zrozumieć, jak on działa. Jutro stworzy do tego organizmy od podstaw - takie jest podejście biologii syntetycznej.
Rzeczywiście, najpewniejszym sposobem zrozumienia struktury dowolnego mechanizmu jest zbudowanie go samodzielnie. Już dziś naukowcy są w stanie zsyntetyzować całe genomy w probówce i zmusić je do pracy w żywej komórce. Eksperyment ten jednoznacznie pokazuje, jakie geny są niezbędne do istnienia życia - co oznacza, że otwiera niespotykane dotąd możliwości ich modyfikacji, modyfikacji i poddania się naszej woli. Odkrycia biologii analitycznej dokonywane są „od góry do dołu”: organizm rozkłada się na możliwie podstawowe składniki. Z drugiej strony biologia syntetyczna bada istoty żywe „od dołu do góry”: cały organizm składa się z jak największej liczby podstawowych składników.
Film promocyjny:
Ale jak zacząć „syntetyzować życie”, skoro tak mało jest tego, co jest zrozumiałe w pochodzeniu życia? We wspomnianym przykładzie ze sztucznym genomem naukowcy umieścili go w żywej komórce, z której usunięto jej własne DNA. Zatem z dwóch głównych składników żywych istot - komórki i zawartych w niej genów - naukowcom udało się do tej pory zsyntetyzować tylko jeden.
Życie na Ziemi pojawiło się około 3,5 - 4 miliardy lat temu: według standardów geologicznych, prawie natychmiast po powstaniu planety 4,5 miliarda lat temu. Ale każda poważna „kronika” dzisiejszej biologii zaczyna się znacznie później: do tego czasu komórki już oddychały tlenem, pilnie syntetyzując tysiące białek, wiele z nich od dawna łączy się w wielokomórkowe organizmy, które już potrafiły się kojarzyć, aktywnie poszukiwać pożywienia, a nawet zapamiętywać informacje.
Dla biologa syntetycznego fundamentalne znaczenie mają najstarsze, utracone w ciągu wieków, stadia ewolucji, podczas których zostały określone podstawowe zasady organizowania organizmów żywych. Dlaczego, na przykład, białka składają się wyłącznie z aminokwasów lewoskrętnych? Struktura chemiczna tych „kulek” łańcuchów białkowych jest taka, że mogą one istnieć w dwóch lustrzanych formach, zwanych lewoskrętną i prawoskrętną. Wydawałoby się, że właściwości chemiczne tych cząsteczek nie różnią się: składają się z tych samych atomów w takich samych odległościach od siebie. Niemniej jednak wszystkie żywe istoty używają wyłącznie aminokwasów lewoskrętnych.
Czy jest to głębokie znaczenie, czy jest to przypadek, który odziedziczyliśmy po „oryginalnej” komórce? Czy jest możliwe stworzenie „prawoskrętnego białka”? Organizm prawoskrętny? Czy będą się różnić od innych żywych istot? Te tajemnice są bezpośrednio związane z pochodzeniem życia. Lista jest długa: czy w DNA potrzebny jest fosfor? Czy życie jest możliwe bez komórki? Jakie chemikalia są potrzebne do samoreplikacji? Praktyczne możliwości kryjące się za tymi pytaniami są nieograniczone.
Nawet jeśli życie zostało sprowadzone na Ziemię z kosmosu, jak wielu sądzi, w żaden sposób nie zmienia to pytań stojących przed ewolucyjną - i syntetyczną - biologią przyszłości. Jeśli życie nie pojawiło się na Ziemi, to gdzie i co najważniejsze - jak? Jest prawdopodobne, że ta tajemnica pozostanie nierozwiązana - chociaż nikt nie wie, co przyniesie jutro odkrycia.
Wszystkie organizmy żyjące dziś na planecie pochodzą od jednego wspólnego przodka. Ale ten przodek posiadał już komórkę i wszystkie jej podstawowe elementy. Nauka nic nie wie o ślepych zaułkach ewolucji przed pojawieniem się wspólnego przodka ani o tym, czy istniały inne, równoległe „drzewa życia”.
Zagadka druga: skąd się wzięliśmy?
W jakiejkolwiek formie życie pojawiło się po raz pierwszy na Ziemi, po trzech i pół miliarda lat ewolucja dała początek bezpośrednim przodkom gatunku Homo sapiens - Homo sapiens.
Pochodzenie tej wyjątkowej małpy jest znacznie lepiej poznane niż ewolucja większości innych gatunków. Ale z oczywistych powodów nasza uwaga na ten problem jest znacznie większa niż w przypadku innych zwierząt. Nie interesuje nas zbytnio, w jaki sposób przodkowie norników czy kuropatw wędrowali po kontynentach. Ale jeśli chodzi o naszych najbliższych krewnych, ich podróże po świecie i wzajemne interakcje zamieniają się w prawdziwego detektywa historycznego.
Niedawno naukowcy zbudowali całą genealogię rasy ludzkiej na kościach. Szkielety znalezione w różnych częściach świata przeanalizowano pod kątem takich cech, jak budowa zębów i objętość czaszki. Na podstawie tych danych szkielety pogrupowano według gatunków, a na podstawie ich podobieństw i różnic zbudowano obraz stopniowej transformacji głupich małp w inteligentnych ludzi z kijem w rękach.
Jak stało się jasne w ostatnich latach, taki obraz ma niewiele wspólnego z rzeczywistością. Ewolucja najbliższych przodków człowieka nie jest sekwencyjną transformacją niektórych gatunków w inne, ale rozgałęzionym drzewem z wieloma ślepymi gałęziami. Zrozumienie, w jaki sposób te gałęzie są ze sobą połączone, może być niezwykle trudne. Dziś pomagają nam w tym najnowsze technologie analizy DNA uzyskanego ze szczątków kopalnych.
Na przykład jesteśmy świadkami pełnego akcji dramatu naukowego o relacjach naszych bezpośrednich przodków - wczesnych Homo sapiens - z ich kuzynami: neandertalczykami i denisowianami.
Czy praca stworzyła człowieka?
Aż do XX wieku archeologia była nauką dość chwiejną, skłonną do dostrzegania dowodów ludzkiej wielkości w każdej znalezionej kości. Wśród smukłych, ale całkowicie bezpodstawnych hipotez wczesnej archeologii wyróżnia się idea, że mistrzostwo narzędzi - rzekomo bezprecedensowe zjawisko w przyrodzie - bezpośrednio determinowało wygląd ludzi. Echa tej hipotezy słychać w imieniu gatunku Homo habilis - wykwalifikowanej osoby, która wcześniej była uważana za najstarszego przedstawiciela rodzaju Homo.
Dziś jest oczywiste, że używanie narzędzi nie jest unikalne dla ludzi. Na przykład za pomocą kamieni i patyków dobrze kontrolowano starożytne małpy - panantropy. Współczesne zwierzęta, takie jak kruki, delfiny, słonie i oczywiście wiele naczelnych również używają narzędzi. Naukowcy wciąż spierają się o to, co dokładnie spowodowało, że przodkowie ludzi stanęli na nogach i rozwinęli ogromny mózg, ale nadmierna romantyzacja „umiejętności” jest dziś przestarzała.
Zdjęcie: depositphotos.com/poeticpenguin
W 2010 r. Zdekodowano genom neandertalczyka. Na podstawie analizy uzyskanych danych stwierdzono, że gatunek ten, wcześniej uważany za niezależny, faktycznie aktywnie krzyżował się z naszymi przodkami i wniósł od 1 do 4% informacji genetycznej do DNA współczesnego Europejczyka.
Niedługo wcześniej - w 2008 roku - odkryto kolejnego „kuzyna” współczesnego człowieka, Denisowitę. On również nie miał nic przeciwko uderzaniu w „rozsądne” młode damy: dzisiejszym mieszkańcom niektórych regionów Azji Południowo-Wschodniej pozostało 3-5% DNA.
Przez jakiś czas układał się dość smukły obraz tego miłosnego trójkąta. W Afryce trzy gałęzie rodzaju Homo wywodzą się od wspólnego przodka. Neandertalczycy migrują do Europy, Denisowianie do Azji. Trzecia gałąź pozostaje w Afryce. Stopniowo zmienia się w Homo sapiens i wyrusza na spacer po świecie, „pobierając” odpowiednie geny na zachodzie i wschodzie od „kuzynów” już tam mieszkających. W przyszłości Homo sapiens wypiera zarówno tych, jak i innych kuzynów z powierzchni Ziemi (dokładnie jak - kolejna biała plama w historii), ale zachowuje „ślady” zarówno neandertalczyków, jak i denisowian.
Jednak ostatnio naukowcom z Instytutu Antropologii Ewolucyjnej w Lipsku udało się rozszyfrować część genomu wspólnego przodka wszystkich trzech gałęzi ewolucji człowieka. Pomimo tego, że przodek ten nie był jeszcze neandertalczykiem ani denisovanem, jego szczątki znaleziono w Hiszpanii - na podstawie przyjętego zdjęcia okazało się, że musiał opuścić Afrykę i postawić stopę na ścieżce „neandertalizacji”.
Jednak wyniki analizy genetycznej były szokujące. DNA „Hiszpana” okazało się znacznie bliższe genomowi Denisovana, który wcale nie powinien być w Europie! Okazuje się, że cały obraz naszych stosunków z Denisowianami i Neandertalczykami jest daleki od niepodważalnego faktu.
Opisany przykład to tylko jedno z wielu otwartych pytań współczesnej paleoantropologii. Tylko fanatycy religijni wątpią, że człowiek pochodzi od małpy. Ale to, co dokładnie stało się z naszymi przodkami przez kilka milionów lat, oddzielających pochodzenie od drzew i zapisaną historię - w zasadzie nadal pozostaje tajemnicą.
Zidentyfikowano 78 podstawień nukleotydów, które odróżniają współczesnych ludzi od neandertalczyków. Wskazano funkcje 5 genów, które charakteryzują się wielokrotnymi podstawieniami. Niektóre z nich działają na skórę i włosy i są wyraźnie zaangażowane w tworzenie „ludzkiego” wyglądu i percepcji wzrokowej (CAN15). Inne są oczywiście związane z cechami psychicznymi danej osoby. Jeden z genów determinuje aktywność plemników - prawdopodobnie wyewoluował pod wpływem doboru płciowego.
Zagadka trzecia: co to jest wirus?
W przypadku ludzi, a także większości współczesnych zwierząt i roślin, można przynajmniej z grubsza nawiązać do ewolucyjnych przodków. Wirusolodzy nie mogą się tym pochwalić. W rzeczywistości nauka nadal nie rozumie, czym jest wirus.
Faktem jest, że te mikroskopijne bezkomórkowe pasożyty w ogóle nie pasują do systemu żywego świata. Wszystkie znane nam żywe istoty składają się i pochodzą z komórek. Wirus istnieje również tylko z pomocą komórek: potrzebuje gospodarza, aby się rozmnażać. Gdyby wszystkie komórki nagle zniknęły z planety, wirusy zamieniłyby się w bezsensowne bąbelki białek i DNA, niezdolne do jakichkolwiek funkcji biologicznych.
Jak istniała taka dziwna forma materii? Istnieją dwie główne wersje.
Wersja pierwsza: wirusy to uciekające geny. Taki scenariusz nie jest trudny do wyobrażenia. W naszym genomie znajdują się elementy zwane transpozonami, które mogą wyciąć się z jednej części genomu i wstawić do innej. Czasami te „ruchome geny” zabierają ze sobą inne fragmenty DNA, które są w sąsiedztwie. Przyjmuje się, że miliardy lat temu jeden z tych „mobilnych genów” przypadkowo złożył w jednym zestawie minimalny zestaw niezbędny do samodzielnego istnienia: na przykład po lewej znajdowała się „maszyna kopiująca” potrzebna do odtworzenia DNA, a po prawej „scyzoryk” z za pomocą której mógłbyś dostać się do nowej celi. Od tego momentu gen przekształcił się w wirusa i zaczął ewoluować niezależnie od organizmu macierzystego.
Druga wersja: wirusy to uproszczone komórki. Wielu dzisiejszych naukowców skłania się ku tej wersji przede wszystkim z powodu odkrycia wielu gigantycznych wirusów porównywalnych pod względem wielkości do komórek. Zgodnie z tą wersją wirusy mogły kiedyś być organizmami komórkowymi - na przykład bakteriami. Bakterie te nauczyły się pasożytować na innych, większych komórkach. Stopniowo pozbywali się wszystkiego, co niepotrzebne, łącznie z własnym „sprzętem komórkowym” - i w ten sposób zamienili się w wirusy, które zachowały tylko kilka genów i „narzędzi” potrzebnych do zarażenia.
Ta hipoteza jest poparta historycznym precedensem. Coś podobnego stało się z mitochondriami - „stacjami energetycznymi”, które tworzą nasze komórki. Kiedyś były bakteriami, ale potem zawarły sojusz z większymi komórkami, utraciły niezależność i dziś są ich integralną częścią.
Podobnie jak w przypadku pochodzenia życia, historia wirusów ginie na przestrzeni wieków. Wirusy nie mają kości ani muszli, nie pozostawiają skamieniałości ani śladów w skałach osadowych. Możliwe, że wirusy pojawiały się niezależnie (prawdopodobnie na różne sposoby) kilka razy. Prawie na pewno wiadomo, że wszystkie organizmy żywe pochodzą z jednej komórki. Nadal nie wiadomo, czy dotyczy to „półżywych” wirusów.
Istnieje trzecia wersja pochodzenia wirusów, zgodnie z którą powstały one jeszcze przed pojawieniem się ich gospodarzy, komórek. Zgodnie z tą wersją pierwotnie istniała wirosfera samodzielnie rozmnażających się elementów genetycznych. Niektóre z tych elementów nabrały struktury komórkowej i ostatecznie dały początek wszystkim trzem domenom życia. Wirusy jednak stopniowo przeszły w pasożytnictwo i nadal ewoluowały równolegle ze swoimi komórkowymi żywicielami.
Zagadka czwarta: dlaczego potrzebujemy snu?
Jedną trzecią życia spędzamy we śnie - a jednocześnie absolutnie nie rozumiemy, dlaczego. Wiemy coś o tym, co dzieje się we śnie, i częściowo wiemy, dlaczego sen może się pojawić. Ale nauka nie może jeszcze odpowiedzieć na pytanie, dlaczego sen jest tak potrzebny.
Rytmy okołodobowe w ogóle, a sen w szczególności, są oczywiście związane z obrotem Ziemi wokół Słońca. Niezależnie od cech zwierzęcia, dla prawie każdego z nich jest pora dnia, kiedy bezpieczniej jest nic nie robić, ale po prostu siedzieć cicho i nie wychylać się. Jest całkiem logiczne, że sen mógł pojawić się jako sposób na oszczędzanie energii w tym „trybie czuwania”. Pozostałe funkcje uśpienia - na przykład przetwarzanie i utwardzanie pamięci - prawdopodobnie pojawiały się jako „dodatki” w tym trybie.
Ale ta teoria wcale nie wyjaśnia, dlaczego sen jest tak potrzebny. Udokumentowany naukowo rekord celowej deprywacji snu (bez użycia środków pobudzających) wynosi 11 dni i należy do Amerykanina Randy'ego Gardnera. Nawet tak niezbyt imponujący rekord może skończyć się katastrofą: w 2012 roku chiński kibic, który całą noc oglądał Euro 2012, zmarł w wyniku bezsennego maratonu o podobnej długości. Choroby uszkadzające mechanizmy snu są niezwykle niebezpieczne. Nieuleczalne zaburzenie dziedziczne zwane śmiertelną bezsennością rodzinną mówi samo za siebie: po wystąpieniu objawów pacjenci nie żyją nawet rok.
Projekcje obszarów mózgu, które zmieniają aktywność po braku snu. Kolor zielony oznacza spadek aktywności, czerwony - wzrost
Zdjęcie: cercor.oxfordjournals.org
Czy są zwierzęta, które nie śpią? To pytanie zadali naukowcy z University of Wisconsin w Madison. Po przeanalizowaniu dostępnych danych doszli do wniosku: jak dotąd nie ma ani jednego jasno i jednoznacznie udowodnionego przypadku istnienia „śpiącego” zwierzęcia. Nie wyklucza to takiej możliwości: autorzy podkreślają, że dane dotyczące snu większości gatunków są niezwykle skąpe.
Niemniej jednak dostępne informacje wystarczają, aby uzyskać dość jednoznaczny obraz: ani ludzie, ani szczury, ani nawet muchy z karaluchami nie mogą żyć bez snu. Wszystko wskazuje na to, że sen jest tą samą uniwersalną właściwością istot żywych, co oddychanie czy dziedziczność. Ale jeśli znaczenie tego ostatniego jest dziś oczywiste, naukowcy będą musieli dużo się pocić nad rolą snu.
O czym marzy mucha?
Nowe technologie znacznie poprawiły naszą zdolność do badania snu u innych gatunków. Na przykład nowoczesny sprzęt pozwala na sfotografowanie czegoś podobnego do elektroencefalogramu … ze śpiącej muchy. W zeszłorocznych badaniach naukowcy z University of Queensland w Australii wykazali, że muchy nie tylko śpią, ale mają również różne fazy snu - tak jak my. Fazy te mają różną głębokość i występują naprzemiennie w nocy, przy czym czas „głębokiego snu” wydłuża się, jeśli muchy są bardzo zmęczone. Ogólnie rzecz biorąc, sen much jest tak podobny do naszego, że naukowcy dyskutują z mocą i głównie na temat wykorzystania muszek owocówek jako modelu do badania nieprawidłowości charakteryzujących się zaburzeniami snu.
Zdjęcie: depositphotos.com/Tomatito
Zagadka piąta: czym jest „ja”?
Ostatnia tajemnica, którą rozkłada się dzisiejsza biologia, jest również związana z aktywnością nerwową, ale znacznie bardziej złożoną niż sen Drosophila. Świadomość jest tak złożonym i trudnym do zdefiniowania procesem, że przez długi czas człowiek arogancko definiował ją jako swoją własną unikalną właściwość.
Dziś wyjątkowość ludzkiej świadomości jest raczej kwestią filozoficzną niż biologiczną. Nie ma wątpliwości, że człowiek osiągnął niespotykane dotąd wyżyny w rozwoju swojego intelektu. Ale czy jest coś jakościowo nowego w strukturze i pracy naszego mózgu? Najprawdopodobniej nie. Psy mają emocje, małpy potrafią liczyć, a delfiny mają nawet pozory językowe z gramatycznymi i kulturowymi różnicami w różnych częściach świata. Badając zwierzęta intuicyjnie rozumiemy, że niektóre z nich są przynajmniej w najmniejszym stopniu świadome własnego istnienia. Ale nadal nie w pełni rozumiemy, co dokładnie kryje się za tą świadomością. Mówiąc najprościej, nie wiemy, czym jest świadomość.
Zdjęcie: depositphotos.com/vitaliy_sokol
W ostatnich latach neurobiologia osiągnęła niespotykane dotąd wyżyny. Mamy dobre pojęcie o tym, jak działają komórki nerwowe, w jaki sposób są aktywowane lub hamowane i jak oddziałują ze sobą. Wiemy, jakie zmiany zachodzą w składzie tych komórek podczas uczenia się i tworzenia pamięci. Wiemy, które części mózgu są odpowiedzialne za to lub inne zachowanie.
Ale świadomość, że kora przedczołowa jest w jakiś sposób połączona z interakcjami społecznymi, a znajdujące się w niej neurony bombardują się nawzajem specjalnymi cząsteczkami i polami elektrycznymi, nie oznacza wcale, że rozumiemy, jak się od siebie oddziela. Dzisiaj naukowcy podejmują pierwsze próby symulacji działania najprostszych sieci neuronowych: istniejące dane mogą w unikalny sposób opisać „świadomość” być może meduz. Nauka nie jest jeszcze w stanie „zhakować” ludzkiej świadomości, bez względu na to, jak bardzo chcą tego miłośnicy science fiction.