Există doar cinci mistere majore în biologia modernă
Ghicitorul unu: de unde a venit viața?
Biologia - tradusă din greacă „știința vieții” - habar nu are de unde a venit subiectul studiului său. Situația nu este unică - fizicienii, de exemplu, nu înțeleg foarte bine cât de exact a apărut constanta lui Planck sau forța gravitației. Dar doar în biologie, poate, întrebările despre „începutul începutului” au o semnificație atât de acută.
Geneticianul american de origine sovietică Theodosius Dobrzhansky a spus că nimic în această știință nu are sens dacă nu este trecut prin teoria evoluției.
Știința biologică se bazează pe disciplinele clasice, descriptive: zoologie, botanică, microbiologie etc. Și cumva este de la sine înțeles că scopul cercetării fiecăruia dintre ele este clarificarea cea mai detaliată a uneia sau a altei ramuri a arborelui evolutiv.
În același timp, în ultimele sute de ani, o mare parte a biologiei s-a ramificat de la știința originală descriptivă și s-a contopit cu medicina, formând o singură ramură biomedicală. Se caracterizează printr-o abordare diferită, analitică. Omul de știință nu descrie doar șoarecele - el grefează noi gene în el și observă rezultatul. Dar de ce ne interesează atât de mult șoarecii, maimuțele și muștele fructelor? Răspunsul este simplu: datorită teoriei evoluției, știm că activitatea organismului șoarecului nu este fundamental diferită de munca noastră. Drept urmare, biologia analitică are beneficii mult mai practice decât biologia descriptivă.
Dar există o a treia formă de biologie, care abia începe să apară în aceste zile. Biologul „analitic” de astăzi modifică un organism viu pentru a înțelege cum funcționează. Mâine va crea organisme de la zero pentru asta - aceasta este abordarea biologiei sintetice.
Într-adevăr, cea mai sigură modalitate de a înțelege structura oricărui mecanism este să o construiți singur. Deja astăzi, oamenii de știință sunt capabili să sintetizeze genomii întregi într-o eprubetă și să îi facă să funcționeze într-o celulă vie. Acest experiment arată fără echivoc care sunt genele necesare existenței vieții - ceea ce înseamnă că deschide oportunități fără precedent pentru modificarea, modificarea și supunerea voinței noastre. Descoperirile biologiei analitice se fac „de sus în jos”: organismul este descompus în componente cât mai fundamentale. Pe de altă parte, biologia sintetică explorează lucrurile vii „de jos în sus”: întregul organism este compus din cât mai multe componente de bază.
Video promotional:
Dar cum să începeți să „sintetizați viața” dacă există atât de puțin care este înțeles în originea vieții? În exemplul menționat anterior cu un genom artificial, oamenii de știință au introdus-o într-o celulă vie, din care a fost eliminat propriul ADN. Astfel, dintre cele două componente principale ale ființelor vii - celula și genele pe care le conține - oamenii de știință au reușit până acum să sintetizeze doar una.
Viața a apărut pe Pământ acum aproximativ 3,5 - 4 miliarde de ani: după standardele geologice, aproape imediat după formarea planetei acum 4.5 miliarde de ani. Însă orice „cronică” serioasă a biologiei de astăzi începe mult mai târziu: până atunci, celulele respirau deja oxigenul, sintetizând cu sârguință mii de proteine, multe dintre ele au fost mult timp unite în organisme multicelulare care știau deja să se împerecheze, să caute în mod activ mâncare și chiar să memoreze informații.
Pentru un biolog sintetic, cele mai vechi etape ale evoluției, pierdute în secole, sunt de o importanță fundamentală, timp în care au fost stabilite principiile de bază ale organizării lucrurilor vii. De ce, de exemplu, proteinele sunt compuse exclusiv din aminoacizi levorotatori? Structura chimică a acestor „mărgele” din lanțurile proteice este de așa natură încât pot exista sub două forme oglindite, numite stânga și dextrorotatoare. S-ar părea că proprietățile chimice ale acestor molecule nu diferă: ele constau din aceiași atomi la aceleași distanțe unele de altele. Cu toate acestea, toate ființele vii folosesc exclusiv aminoacizi levorotatori.
Există o semnificație profundă în acest sens sau este un accident pe care l-am moștenit de la celula „inițială”? Este posibil să se creeze o „proteină dextrorotatoare”? Un organism dextrorotator? Vor fi ei diferiți de alte lucruri vii? Aceste mistere sunt direct legate de originea vieții. Lista continuă: este necesar fosforul în ADN? Este posibilă viața fără o celulă? Ce substanțe chimice sunt necesare pentru auto-replicare? Posibilitățile practice din spatele acestor întrebări sunt interminabile.
Chiar dacă viața a fost adusă pe Pământ din spațiu, așa cum cred mulți, aceasta nu schimbă în niciun fel întrebările cu care se confruntă biologia evolutivă - și sintetică - a viitorului. Dacă viața nu a apărut pe Pământ, atunci unde și, cel mai important - cum? Este probabil ca acest mister să rămână nesoluționat - deși nimeni nu știe ce descoperiri vor aduce mâine.
Toate organismele care trăiesc astăzi pe planetă descendeau dintr-un strămoș comun. Dar acest strămoș deținea deja o celulă și toate componentele sale de bază. Știința nu știe nimic despre ramurile fără margini ale evoluției înainte de apariția unui strămoș comun sau despre dacă există alți „copaci ai vieții paralele”.
Ghicitorul doi: de unde am venit?
În orice formă, viața a apărut pentru prima dată pe Pământ, după trei miliarde și jumătate de ani, evoluția a dat naștere strămoșilor direcți ai speciei Homo sapiens - Homo sapiens.
Originea acestei maimuțe unice este mult mai bine înțeleasă decât evoluția majorității celorlalte specii. Dar din motive evidente, atenția noastră asupra problemei este mult mai mare decât atunci când este aplicată la alte animale. Nu ne interesează foarte mult cum au străbătut strămoșii păpușilor sau perdizelor pe continente. Dar când vine vorba de rudele noastre cele mai apropiate, călătoriile lor în întreaga lume și interacțiunile între ele se transformă într-un adevărat detectiv istoric.
Mai recent, oamenii de știință au construit întreaga genealogie a rasei umane pe oase. Scheletele găsite în diferite părți ale lumii au fost analizate pentru astfel de caracteristici precum structura dinților și volumul craniului. Pe baza acestor date, scheletele au fost grupate în specii și, pe baza asemănărilor și diferențelor lor, a fost construită o imagine a transformării treptate a maimuțelor stupide în oameni deștepți, cu un băț în mâini.
Așa cum a devenit clar în ultimii ani, o astfel de imagine nu prea are legătură cu realitatea. Evoluția strămoșilor umani cei mai apropiați nu este o transformare secvențială a unor specii în altele, ci un copac ramificat, cu multe ramuri fără cap. Poate fi extrem de dificil să înțelegem modul în care aceste ramuri sunt conectate între ele. Astăzi, cele mai noi tehnologii pentru analiza ADN-ului obținut din resturile fosile ne ajută în acest sens.
De exemplu, asistăm la o dramă științifică plină de acțiuni despre relația strămoșilor noștri direcți - primii Homo sapiens - cu verii lor: neandertali și Denisovani.
Munca a creat omul?
Până în secolul XX, arheologia a fost o știință destul de agitată, înclinată să vadă dovezi ale măreției umane în fiecare os găsit. Printre ipotezele zvelte, dar complet nefondate ale arheologiei timpurii, ideea iese în evidență faptul că stăpânirea instrumentelor - un fenomen presupus fără precedent în natură - a determinat direct apariția oamenilor. Ecouri ale acestei ipoteze se aud în numele speciei Homo habilis - o persoană calificată care a fost considerată anterior cel mai vechi reprezentant al genului Homo.
Este evident astăzi că utilizarea instrumentelor este departe de a fi unică pentru oameni. Cu pietre și bețe, de exemplu, maimuțele antice - panantrope, erau bine controlate. Animalele moderne, cum ar fi corbii, delfinii, elefanții și, desigur, multe primate folosesc de asemenea instrumente. Oamenii de știință încă argumentează despre ceea ce i-a făcut pe strămoșii umani să stea pe picioarele lor și să dezvolte un creier imens, dar romantizarea excesivă a „îndemânării” este astăzi depășită.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
În 2010, genomul Neanderthal a fost decodificat. Pe baza analizei datelor obținute, s-a ajuns la concluzia că această specie, considerată anterior independentă, în realitate s-a înrudit activ cu strămoșii noștri și a adus de la 1 la 4% din informațiile genetice la ADN-ul unui european modern.
Nu cu mult timp înainte - în 2008 - a fost descoperit un alt „văr” al unui om modern, un Denisovit. El, de asemenea, nu a fost advers să lovească pe tinerele „rezonabile”: rezidenții de astăzi ai unor regiuni din Asia de Sud-Est au 3,5% din ADN-ul său.
De ceva timp, s-a aliniat o imagine destul de zveltă a acestui triunghi amoros. În Africa, trei ramuri ale genului Homo provin dintr-un strămoș comun. Neandertalii migrează în Europa, Denisovani în Asia. O a treia ramură rămâne în Africa. Ea se transformă treptat într-un Homo sapiens și pleacă la o plimbare în întreaga lume, „ridicând” genele corespunzătoare din vest și est de „verii” care trăiesc deja acolo. În viitor, Homo sapiens îi îndepărtează pe acei și pe ceilalți veri de pe fața Pământului (exact cum - o altă pată albă din istorie), dar păstrează „amprentele” atât ale neandertalilor, cât și ale Denisovanilor.
Cu toate acestea, mai recent, oamenii de știință de la Institutul pentru Antropologie Evoluționară din Leipzig au reușit să descifreze o parte din genomul strămoșului comun al celor trei ramuri ale evoluției umane. În ciuda faptului că acest strămoș nu era încă Neanderthal sau Denisovan, rămășițele sale au fost găsite în Spania - pe baza imaginii acceptate, s-a dovedit că el trebuia să părăsească Africa și să pună piciorul pe calea „neandertalizării”.
Cu toate acestea, rezultatele analizei genetice au fost șocante. ADN-ul bărbatului „spaniol” s-a dovedit a fi mult mai aproape de genomul lui Denisovan, care nu ar fi trebuit să fie deloc în Europa! Se pare că întreaga imagine a relațiilor noastre cu Denisovanii și Neanderthalii este departe de un fapt incontestabil.
Exemplul descris este doar una dintre numeroasele întrebări deschise ale paleoantropologiei moderne. Astăzi doar fanaticii religioși se îndoiesc că omul a coborât dintr-o maimuță. Dar ceea ce s-a întâmplat exact cu strămoșii noștri de câteva milioane de ani, care separă coborârea de copaci și istoria înregistrată - în linii mari, un mister este încă.
Au fost identificate 78 de substituții de nucleotide care disting oamenii moderni de neandertali. Sunt indicate funcțiile a 5 gene care sunt caracterizate prin substituții multiple. Unele dintre ele sunt active la nivelul pielii și părului și sunt clar implicate în crearea unui aspect „uman” și a percepției vizuale (CAN15). Altele, evident, sunt asociate cu caracteristicile mentale ale unei persoane. Una dintre gene determină activitatea spermatozoizilor - probabil, a evoluat sub influența selecției sexuale.
Ghicitorul trei: ce este un virus?
În cazul oamenilor, și, într-adevăr, cu majoritatea animalelor și plantelor moderne, cel puțin se poate realiza o legătură cu strămoșii evolutivi. Virologii nu se pot lăuda cu asta. De fapt, știința încă nu înțelege ce este un virus.
Cert este că acești paraziți acellulari microscopici nu se încadrează deloc în sistemul lumii vii. Toate lucrurile vii cunoscute de noi constau și provin din celule. De asemenea, virusul există doar cu ajutorul celulelor: are nevoie de o gazdă pentru a se reproduce. Dacă toate celulele au dispărut brusc de pe planetă, atunci virusurile s-ar transforma în bule fără sens de proteine și ADN, incapabile să funcționeze biologic.
Cum a existat o formă atât de ciudată a materiei? Există două versiuni principale.
Prima versiune: virușii sunt gene fugare. Un astfel de scenariu nu este greu de imaginat. Există elemente în genomul nostru numite transpozoni care se pot tăia dintr-o parte a genomului și se pot insera în alta. Uneori, aceste „gene mobile” iau cu ele alte bucăți de ADN care se află în cartier. Se presupune că în urmă cu miliarde de ani, una dintre aceste „gene mobile” a asamblat accidental într-un set setul minim necesar existenței independente: în stânga, de exemplu, exista o „mașină de copiat” necesară pentru a reproduce ADN-ul, iar în dreapta - un „penknife” cu cu care ai putea intra într-o celulă nouă. Din acel moment, gena s-a transformat într-un virus și a început să evolueze separat de organismul părinte.
A doua versiune: virusurile sunt celule simplificate. Câțiva oameni de știință astăzi sunt înclinați spre această versiune în primul rând datorită descoperirii unui număr de viruși giganti comparați ca mărime cu celulele. Conform acestei versiuni, virusurile pot fi fost odată organisme celulare - de exemplu, bacterii. Aceste bacterii au învățat să parazitizeze asupra altor celule mai mari. Treptat, au scăpat de tot ce nu era necesar, inclusiv de propriile lor „echipamente celulare” - și astfel s-au transformat în viruși care păstrau doar câteva gene și „instrumente” necesare pentru a se infecta.
Această ipoteză este susținută de precedentul istoric. Ceva similar s-a întâmplat cu mitocondriile - „stații energetice” care alcătuiesc celulele noastre. Odată ce au fost bacterii, dar apoi au intrat într-o alianță cu celulele mai mari, și-au pierdut independența și astăzi fac parte integrantă din ele.
La fel ca la originea vieții, istoria virusurilor se pierde de-a lungul secolelor. Virusii nu au oase sau scoici, nu lasă fosile sau urme în rocile sedimentare. Este posibil ca virușii să apară independent (posibil în moduri diferite) de mai multe ori. Se știe aproape sigur că toate organismele vii provin dintr-o singură celulă. Dacă acest lucru se aplică virusurilor „semi-vii” nu este încă cunoscut.
Există o a treia versiune a originii virusurilor, conform căreia au apărut chiar înainte de apariția gazdelor lor, celulele. Conform acestei versiuni, virosfera elementelor genetice autoreproductive a existat inițial. Unele dintre aceste elemente au dobândit o structură celulară și, în cele din urmă, au dat naștere la toate cele trei domenii ale vieții. Virusurile, însă, au trecut treptat la parazitism și au continuat să evolueze în paralel cu gazdele lor celulare.
Ghicitorul patru: de ce avem nevoie de somn?
Ne petrecem o treime din viață într-un vis - și, în același timp, nu înțelegem absolut de ce. Știm ceva despre ce se întâmplă într-un vis și, în parte, de ce ar putea să apară un vis. Dar știința încă nu poate răspunde la întrebarea de ce somnul este atât de necesar.
Ritmurile circadiene în general și somnul în special sunt asociate în mod evident cu rotația Pământului în jurul Soarelui. Oricare ar fi caracteristicile animalului, pentru aproape oricare dintre ele există un moment al zilei în care este mai sigur să nu faci nimic, ci doar să stai liniștit și să nu rămâi afară. Este destul de logic că somnul ar fi putut apărea ca o modalitate de a economisi energie în acest „mod de așteptare”. Restul funcțiilor de repaus - de exemplu, procesarea și întărirea memoriei - au apărut probabil ca „add-on-uri” în acest mod.
Dar această teorie nu explică deloc de ce este atât de necesar somnul. Înregistrarea documentată științific pentru privarea intenționată de somn (fără utilizarea stimulentelor) este de 11 zile și aparține americanului Randy Gardner. Chiar și un astfel de record nu atât de impresionant s-ar putea încheia în dezastru: în 2012, un fan de fotbal chinez care a urmărit Euro 2012 toată noaptea a murit din cauza unui maraton nedormit de o durată similară. Bolile care afectează mecanismele de somn sunt extrem de periculoase. O tulburare ereditară incurabilă numită Insomnie familială fatală vorbește de la sine: după debutul simptomelor, pacienții nu trăiesc nici măcar un an.
Proiecții ale zonelor creierului care schimbă activitatea după privarea de somn. Verde indică o scădere a activității, roșu - o creștere
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Există animale care nu dorm? Această întrebare a fost pusă de oamenii de știință de la Universitatea Wisconsin din Madison. Având în vedere datele disponibile, acestea au concluzionat: nu există un singur caz dovedit în mod clar și fără echivoc al existenței unui animal „adormit” până în prezent. Aceasta nu exclude această posibilitate: autorii subliniază că datele despre somn pentru majoritatea speciilor sunt extrem de rare.
Cu toate acestea, informațiile disponibile sunt suficiente pentru o imagine destul de lipsită de ambiguitate: nici oameni, nici șobolani, nici măcar muște cu gandaci nu pot trăi fără somn. Totul indică faptul că somnul este aceeași proprietate universală a lucrurilor vii ca respirația sau ereditatea. Dar dacă sensul ultimului este evident astăzi, atunci oamenii de știință vor trebui să transpire mult peste rolul somnului.
Ce visează o muscă?
Noile tehnologii au avansat semnificativ capacitatea noastră de a studia somnul la alte specii. De exemplu, echipamentele moderne vă permit să fotografiați ceva similar cu o electroencefalogramă … dintr-o muscă adormită. Într-un studiu de anul trecut, cercetătorii de la Universitatea din Queensland din Australia au arătat că muștele nu numai că dorm, dar au și diferite faze de somn - la fel ca noi înșine. Aceste faze variază în profunzime și alternează în timpul nopții, timpul de „somn adânc” crescând dacă muștele obosesc foarte mult. În general, somnul cu muște este atât de asemănător cu al nostru, încât oamenii de știință discută despre utilizarea muștelor de fructe ca model pentru studierea anomaliilor care sunt caracterizate de tulburările de somn.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Ghicitorul cinci: ce este „eu”?
Ultimul mister pe care biologia de astăzi îl doboară este legat și de activitatea nervoasă, dar mult mai complexă decât somnul lui Drosophila. Conștiința este un proces atât de complex și dificil de definit, încât de multă vreme o persoană a definit-o arogant ca fiind propria sa proprietate unică.
Astăzi, unicitatea conștiinței umane este mai degrabă o întrebare filosofică decât biologică. Nu există nici o îndoială că o persoană a atins culmi fără precedent în dezvoltarea intelectului său. Dar există ceva calitativ nou în structura și activitatea creierului nostru? Cel mai probabil nu. Cainii au emotii, maimutele pot conta, iar delfinii au chiar o aparenta a limbajului cu diferente gramaticale si culturale din diferite parti ale lumii. Studiind animale, înțelegem intuitiv că unele dintre ele sunt cel puțin la distanță conștiente de propria lor existență. Dar încă nu înțelegem pe deplin ce se află exact în spatele acestei conștientizări. Mai simplu spus, nu știm ce este conștiința.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
În ultimii ani, neurobiologia a atins înălțimi fără precedent. Avem o idee bună despre modul în care funcționează celulele nervoase, cum sunt activate sau suprimate și cum interacționează între ele. Știm ce se schimbă compoziția acestor celule în timpul învățării și formării memoriei. Știm ce părți ale creierului sunt responsabile pentru acest sau acel comportament.
Dar să știi că cortexul prefrontal este legat cumva de interacțiunile sociale și că neuronii din ea se bombardează reciproc cu molecule speciale și câmpuri electrice, nu înseamnă deloc să înțelegi cum obține unul de la celălalt. Astăzi, oamenii de știință fac primele încercări de a simula funcționarea celor mai simple rețele neuronale: datele existente pot descrie în mod unic „conștiința” probabil a meduzelor. Știința nu este încă în măsură să „hack” conștiința umană, oricât de mult o vor iubitorii de science-fiction.
