Det er bare fem store mysterier innen moderne biologi
Gåte én: hvor kom livet fra?
Biologi - oversatt fra den greske "livsvitenskapen" - har ingen anelse om hvor emnet for studien kom fra. Situasjonen er ikke unik - fysikere for eksempel forstår heller ikke så godt hvordan nøyaktig Plancks konstant eller tyngdekraften oppsto. Men bare i biologi har kanskje spørsmål om "begynnelsen av begynnelsen" en så akutt betydning.
Den amerikanske genetikeren av sovjetisk opprinnelse Theodosius Dobrzhansky sa at ingenting i denne vitenskapen gir mening hvis den ikke blir ført gjennom evolusjonsteorien.
Biologisk vitenskap er basert på de klassiske, beskrivende fagområdene: zoologi, botanikk, mikrobiologi, etc. Og på en eller annen måte sier det seg selv at formålet med forskningen til hver av dem er den mest detaljerte avklaringen av en eller annen gren av det evolusjonære treet.
Samtidig har en enorm del av biologien de siste hundre årene forgrenet seg fra den opprinnelige, beskrivende vitenskapen og slått seg sammen med medisin og dannet en eneste biomedisinsk gren. Det er preget av en annen tilnærming, analytisk. Forskeren beskriver ikke bare musen - han grafter nye gener inn i den og observerer resultatet. Men hvorfor er vi så interessert i mus, aper og fruktfluer? Svaret er enkelt: takket være evolusjonsteorien, vet vi at arbeidet med musorganismen i utgangspunktet ikke er forskjellig fra vårt eget arbeid. Som et resultat har analytisk biologi langt mer praktiske fordeler enn beskrivende biologi.
Men det er en tredje form for biologi, som akkurat begynner å dukke opp i disse dager. Dagens “analytiske” biolog modifiserer en levende organisme for å forstå hvordan den fungerer. I morgen lager han organismer fra bunnen av for dette - dette er tilnærmingen til syntetisk biologi.
Den sikreste måten å forstå strukturen til en hvilken som helst mekanisme er faktisk å bygge den selv. Allerede i dag er forskere i stand til å syntetisere hele genom i et prøverør og få dem til å fungere i en levende celle. Dette eksperimentet viser entydig hvilke gener som er nødvendige for livets eksistens - noe som betyr at det åpner for enestående muligheter for deres modifisering, modifisering og underkastelse av vår vilje. Funnene av analytisk biologi er gjort "fra topp til bunn": organismen brytes ned til så grunnleggende komponenter som mulig. Syntetisk biologi, derimot, utforsker levende ting "nedenfra og opp": hele organismen er sammensatt av så mange grunnleggende komponenter som mulig.
Salgsfremmende video:
Men hvordan begynne å "syntetisere livet" hvis det er så lite som forstås i livets opprinnelse? I det nevnte eksemplet med et kunstig genom, satte forskere den inn i en levende celle, hvorfra sitt eget DNA ble fjernet. Således har forskere hittil klart å syntetisere en av de to hovedkomponentene i levende ting - cellen og genene den inneholder.
Livet dukket opp på jorden for rundt 3,5 - 4 milliarder år siden: etter geologiske standarder, nesten umiddelbart etter dannelsen av planeten for 4,5 milliarder år siden. Men enhver alvorlig "kronikk" av dagens biologi begynner mye senere: På det tidspunktet pustet allerede celler oksygen, og syntetiserte tusenvis av proteiner flittig, mange av dem har lenge blitt samlet i flercellede organismer som allerede visste hvordan de skulle parre seg, aktivt søke mat og til og med huske informasjon.
For en syntetisk biolog er de eldste evolusjonsstadiene, tapt i århundrer, av grunnleggende betydning, der de grunnleggende prinsippene for organisering av levende ting ble lagt. Hvorfor er for eksempel proteiner utelukkende sammensatt av levorotatoriske aminosyrer? Den kjemiske strukturen til disse "perlene" av proteinkjeder er slik at de kan eksistere i to speilformer, kalt venstre og dextrorotatory. Det ser ut til at de kjemiske egenskapene til disse molekylene ikke skiller seg ut: De består av de samme atomer i samme avstand fra hverandre. Likevel bruker alle levende ting utelukkende levorotatoriske aminosyrer.
Er det en dyp mening i dette, eller er det en ulykke vi arvet fra den "originale" cellen? Er det mulig å lage et "dextrorotatory protein"? En dekstrorotatorisk organisme? Vil de være forskjellige fra andre levende ting? Disse mysteriene er direkte relatert til livets opprinnelse. Listen fortsetter: kreves fosfor i DNA? Er livet mulig uten en celle? Hvilke kjemikalier er nødvendig for selvreplikasjon? De praktiske mulighetene bak disse spørsmålene er uendelige.
Selv om livet ble brakt til jorden fra verdensrommet, slik mange tror, endrer dette ikke på noen måte spørsmålene som fremtidens evolusjonære - og syntetiske - biologi står overfor. Hvis livet ikke dukket opp på jorden, hvor, og da, viktigst av alt - hvordan? Det er sannsynlig at dette mysteriet vil forbli uløst - selv om ingen vet hvilke funn i morgen vil bringe.
Alle organismer som lever på planeten i dag stammet fra en felles stamfar. Men denne forfaren hadde allerede en celle og alle dens grunnleggende komponenter. Vitenskapen vet ingenting om evolusjonens blindveier før utseendet til en felles stamfar, eller om det var andre, parallelle "livstrær."
Gåte to: hvor kom vi fra?
I uansett hvilken form livet først dukket opp på jorden, etter tre og en halv milliard år, fødte evolusjonen de direkte forfedrene til arten Homo sapiens - Homo sapiens.
Opprinnelsen til denne unike apen er mye bedre forstått enn utviklingen til de fleste andre arter. Men av åpenbare grunner er oppmerksomheten vår rundt problemet mye høyere enn når den brukes på andre dyr. Vi er ikke veldig interessert i hvordan forfedrene til voles eller patridges migrerte over kontinentene. Men når det kommer til våre nærmeste slektninger, blir deres reiser verden rundt og interaksjoner med hverandre til en virkelig historisk detektiv.
Nyere har forskere bygget hele slektsgrensen til menneskeslekten på bein. Skjeletter som finnes i forskjellige deler av verden ble analysert for funksjoner som tennens struktur og skallens volum. Basert på disse dataene ble skjelettene gruppert i arter, og basert på deres likheter og forskjeller ble det bygget et bilde av den gradvise transformasjonen av dumme aper til smarte mennesker med en pinne i hendene.
Slik det ble klart de siste årene, har et slikt bilde lite med virkeligheten å gjøre. Utviklingen av de nærmeste menneskelige aner er ikke en sekvensiell transformasjon av noen arter til andre, men et forgrenet tre med mange blindveier. Det kan være ekstremt vanskelig å forstå hvordan disse grenene er forbundet med hverandre. I dag hjelper de nyeste teknologiene for analyse av DNA hentet fra fossile rester oss med dette.
Vi er for eksempel vitne til et handlingsfylt vitenskapelig drama om forholdet til våre direkte forfedre - tidlige Homo sapiens - med søskenbarnene sine: neandertalere og Denisovans.
Skapte arbeidskraft mennesket?
Fram til 1900-tallet var arkeologien en ganske skjelven vitenskap, som var tilbøyelig til å se bevis på menneskelig storhet i hvert bein som ble funnet. Blant de slanke, men helt ubegrunnede hypotesene fra tidlig arkeologi, skiller ideen seg ut at mestring av verktøy - et angivelig enestående fenomen i naturen - bestemte menneskers utseende direkte. Ekko av denne hypotesen blir hørt i navnet til arten Homo habilis - en dyktig person som tidligere ble ansett som den eldste representanten for slekten Homo.
Det er tydelig i dag at bruken av verktøy langt fra er unik for mennesker. Med steiner og pinner var for eksempel de gamle apene - pananthropes, godt kontrollert. Moderne dyr, som ravner, delfiner, elefanter og selvfølgelig mange primater bruker også verktøy. Forskere krangler fortsatt om hva som nettopp fikk menneskelige aner til å stå på beina og utvikle en enorm hjerne, men den overdreven romantiseringen av "dyktighet" er utdatert i dag.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
I 2010 ble det neandertaler genomet dekodet. Basert på analysen av innhentede data ble det konkludert med at denne arten, som tidligere ble ansett som uavhengig, faktisk aktivt blandet med våre forfedre og brakt fra 1 til 4% av genetisk informasjon til DNA fra en moderne europeer.
Ikke lenge før det - i 2008 - ble en annen "fetter" til en moderne mann, en Denisovite, oppdaget. Også han var ikke villig til å slå på de "fornuftige" unge damene: dagens innbyggere i noen regioner i Sørøst-Asia har 3 - 5% av DNA-en igjen.
I noen tid stilte det opp et ganske smalt bilde av denne kjærlighetstrekanten. I Afrika stammer tre grener av slekten Homo fra en felles stamfar. Neandertalere migrerer til Europa, Denisovans til Asia. En tredje gren gjenstår i Afrika. Hun blir gradvis til en Homo sapiens og går en tur rundt i verden, og "plukker opp" de tilsvarende genene i vest og øst fra "søskenbarnene" som allerede bor der. I fremtiden fortrenger Homo sapiens både de og andre søskenbarn fra jordens overflate (nøyaktig hvordan - en annen hvit flekk i historien), men beholder "avtrykkene" fra både neandertalere og Denisovans.
Men nylig har forskere fra Institute for Evolutionary Anthropology i Leipzig klart å tyde en del av genomet til den felles stamfaren til alle tre grener av menneskelig evolusjon. Til tross for at denne aner ikke var Neanderthal eller Denisovan ennå, ble levningene hans funnet i Spania - basert på det aksepterte bildet, viste det seg at han måtte forlate Afrika og satte foten på banen til "neandertalisering".
Resultatene av genetisk analyse var imidlertid sjokkerende. DNA fra den "spanske" mannen viste seg å være mye nærmere genomet til Denisovan, som ikke burde vært i Europa i det hele tatt! Det viser seg at hele bildet av våre forhold til Denisovanerne og neandertalerne langt fra er et udiskutabelt faktum.
Det beskrevne eksemplet er bare et av de mange åpne spørsmålene i moderne paleoanthropology. Bare religiøse fanatikere i dag tviler på at mennesket stammet fra en ape. Men hva som skjedde nøyaktig med våre forfedre et par millioner år, og skilte nedstigningen fra trærne og den registrerte historien - stort sett er det fortsatt et mysterium.
78 nukleotidsubstitusjoner er identifisert som skiller moderne mennesker fra neandertalere. Funksjonene til 5 gener som er preget av flere substitusjoner er indikert. Noen av dem er aktive i hud og hår, og er tydelig involvert i å skape et "menneskelig" utseende og visuell persepsjon (CAN15). Andre er åpenbart forbundet med en persons mentale egenskaper. Et av genene bestemmer aktiviteten til sædceller - sannsynligvis utviklet den seg under påvirkning av seksuell seleksjon.
Gåte tre: hva er et virus?
Når det gjelder mennesker, og faktisk med de fleste moderne dyr og planter, kan man i det minste grovt trekke en forbindelse med evolusjonære forfedre. Virologer kan ikke skryte av dette. Faktisk forstår vitenskapen fremdeles ikke hva et virus er.
Fakta er at disse mikroskopiske acellulære parasittene slett ikke passer inn i den levende verdenssystem. Alle levende ting kjent for oss består og kommer fra celler. Viruset eksisterer også bare ved hjelp av celler: det trenger en vert for å reprodusere seg selv. Hvis alle celler plutselig forsvant fra planeten, ville virus bli til meningsløse bobler av proteiner og DNA, som ikke er i stand til biologiske funksjoner.
Hvordan fantes en så merkelig form for materie? Det er to hovedversjoner.
Første versjon: virus er løslatte gener. Et slikt scenario er ikke vanskelig å forestille seg. Det er elementer i genomet vårt som kalles transposoner som kan skjære seg ut av den ene delen av genomet og sette seg inn i en annen. Noen ganger tar disse "mobile genene" med seg andre biter av DNA som er i nabolaget. Det antas at for milliarder av år siden, en av disse "mobile gener" ved et uhell samlet seg i ett sett, det minste settet som er nødvendig for uavhengig eksistens: til venstre var det for eksempel en "kopimaskin" som var nødvendig for å reprodusere DNA, og til høyre - en "pennekniv" med som du kan komme inn i en ny celle. Fra det øyeblikket forvandlet genet seg til et virus og begynte å utvikle seg separat fra foreldreorganismen.
Andre versjon: virus er forenklede celler. En rekke forskere i dag er tilbøyelige til denne versjonen primært på grunn av oppdagelsen av et antall gigantiske virus som kan sammenlignes i størrelse med celler. I følge denne versjonen kan virus en gang ha vært celleorganismer - for eksempel bakterier. Disse bakteriene har lært seg å parasitere på andre, større celler. Etter hvert ble de kvitt alt unødvendig, inkludert sitt eget "mobilutstyr" - og ble dermed til virus som bare beholdt noen få gener og "verktøy" som trengs for å smitte.
Denne hypotesen støttes av historisk presedens. Noe lignende skjedde med mitokondrier - "energistasjoner" som utgjør cellene våre. En gang var de bakterier, men så inngikk de en allianse med større celler, mistet uavhengigheten og i dag er de en integrert del av dem.
Som med livets opprinnelse, går historien til virus tapt gjennom århundrene. Virus har ikke bein eller skjell, de etterlater ikke fossiler eller spor i sedimentære bergarter. Det er mulig at virus dukket opp uavhengig (muligens på forskjellige måter) flere ganger. Det er nesten helt sikkert kjent at alle levende organismer stammer fra en celle. Hvorvidt dette gjelder "semi-live" virus er fortsatt ukjent.
Det er en tredje versjon av virusets opprinnelse, i henhold til hvilken de oppsto selv før vertene deres, celler, dukket opp. I følge denne versjonen eksisterte opprinnelig virosfæren til selvreproduserende genetiske elementer. Noen av disse elementene skaffet seg en cellulær struktur og ga etter hvert opphav til alle tre domener i livet. Virus beveget seg imidlertid gradvis til parasittisme og fortsatte å utvikle seg parallelt med deres cellulære verter.
Gåte fire: hvorfor trenger vi søvn?
Vi tilbringer en tredjedel av livene våre i en drøm - og samtidig forstår vi absolutt ikke hvorfor. Vi vet noe om hva som skjer i en drøm, og delvis hvorfor en drøm kunne dukke opp. Men vitenskapen kan ennå ikke svare på spørsmålet om hvorfor søvn er så nødvendig.
Døgnrytmer generelt og søvn spesielt er åpenbart forbundet med rotasjonen av jorden rundt sola. Uansett dyrets egenskaper, for nesten alle av dem er det en tid på døgnet der det er tryggere å ikke gjøre noe, men bare sitte stille og ikke stikke seg ut. Det er ganske logisk at søvn kunne ha virket som en måte å spare energi i denne "standby-modus". Resten av søvnfunksjonene - for eksempel prosessering og herding av minne - dukket sannsynligvis opp som "tillegg" i denne modusen.
Men denne teorien forklarer overhode ikke hvorfor søvn er så nødvendig. Den vitenskapelig dokumenterte referansen for forsettlig søvnmangel (uten bruk av sentralstimulerende midler) er 11 dager og tilhører amerikaneren Randy Gardner. Selv en så ikke-imponerende rekord kan ende i en katastrofe: i 2012 døde en kinesisk fotballfan som så på Euro 2012 hele natten gjennom et søvnløst maraton med lignende varighet. Sykdommer som skader søvnmekanismer er ekstremt farlige. En uhelbredelig arvelig lidelse som kalles Fatal Familial Insomnia taler for seg selv: Etter symptomdebutene lever ikke pasienter enda et år.
Fremskrivninger av områder i hjernen som endrer aktivitet etter søvnmangel. Grønt indikerer en nedgang i aktivitet, rød - en økning
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Er det dyr som ikke sover? Dette spørsmålet ble stilt av forskere fra University of Wisconsin i Madison. Etter å ha vurdert tilgjengelige data, konkluderte de: det er ikke et eneste klart og utvetydig påvist tilfelle av eksistensen av et "søvnig" dyr til dags dato. Dette utelukker ikke denne muligheten: forfatterne understreker at data om søvn for de fleste arter er ekstremt knappe.
Likevel er den tilgjengelige informasjonen tilstrekkelig for et ganske utvetydig bilde: Verken mennesker, eller rotter, eller til og med fluer med kakerlakker kan leve uten søvn. Alt tyder på at søvn er den samme universelle egenskapen til levende ting som pust eller arvelighet. Men hvis betydningen av sistnevnte er åpenbar i dag, vil forskere måtte svette mye over søvnens rolle.
Hva drømmer en flue om?
Nye teknologier har betydelig avansert vår evne til å studere søvn hos andre arter. For eksempel lar moderne utstyr deg skyte noe som ligner et elektroencefalogram … fra en sovende flue. I en studie i fjor viste forskere ved University of Queensland i Australia at fluer ikke bare sover, men også har forskjellige søvnfaser - akkurat som oss selv. Disse fasene varierer i dybde og veksler om natten, med "dyp søvn" tid øker hvis fluene blir veldig slitne. Generelt sett er fluesøvn så lik vår at forskere diskuterer bruken av fruktfluer som modell for å studere avvik som er preget av søvnforstyrrelse.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Gåte fem: hva er "jeg"?
Det siste mysteriet som dagens biologi bryter ned, er også relatert til nervøs aktivitet, men mye mer sammensatt enn søvnen til Drosophila. Bevissthet er en så kompleks og vanskelig å definere prosess at en person arrogant definerte den som sin egen unike egenskap.
I dag er det unike ved menneskelig bevissthet et filosofisk snarere enn biologisk spørsmål. Det er ingen tvil om at en person har nådd enestående høyder i utviklingen av intellektet sitt. Men er det noe kvalitativt nytt i strukturen og arbeidet til hjernen vår? Sannsynligvis ikke. Hunder har følelser, aper kan telle, og delfiner har til og med en sans for språk med grammatikk og kulturelle forskjeller i forskjellige deler av verden. Ved å studere dyr forstår vi intuitivt at noen av dem i det minste er eksternt klar over sin egen eksistens. Men vi forstår fortsatt ikke helt hva som ligger bak denne bevisstheten. Enkelt sagt, vi vet ikke hva bevissthet er.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
De siste årene har nevrobiologi nådd enestående høyder. Vi har en god ide om hvordan nerveceller fungerer, hvordan de aktiveres eller undertrykkes, og hvordan de samhandler med hverandre. Vi vet hvilke endringer i sammensetningen av disse cellene under læring og minne dannelse. Vi vet hvilke deler av hjernen som er ansvarlig for denne eller den atferden.
Men å vite at den prefrontale cortex på en eller annen måte er forbundet med sosiale interaksjoner, og nevronene i den bombarderer hverandre med spesielle molekyler og elektriske felt, betyr ikke i det hele tatt å forstå hvordan den ene får fra den andre. I dag gjør forskere de aller første forsøkene på å simulere driften av de enkleste nevrale nettverkene: eksisterende data kan unikt beskrive "bevisstheten" til kanskje maneter. Vitenskapen er ennå ikke i stand til å "hacke" den menneskelige bevisstheten, uansett hvor mye science fiction-elskere vil ha den.
