Modernissa biologiassa on vain viisi suurta mysteeriä
Riddle one: mistä elämä tuli?
Biologialla - käännettynä kreikan "elämän tiede" - ei ole aavistustakaan, mistä tutkimuksen aihe on kotoisin. Tilanne ei ole ainutlaatuinen - esimerkiksi fyysikot eivät myöskään ymmärrä hyvin kuinka Planckin vakio tai painovoima syntyi. Mutta ehkä vain biologiassa, kysymyksillä "alun alkamisesta" on niin akuutti merkitys.
Neuvostoliiton alkuperän amerikkalainen geneetikko Theodosius Dobrzhansky sanoi, ettei mikään tässä tieteessä ole järkevää, jos sitä ei kuljeta evoluutioteorian läpi.
Biotiede perustuu klassisiin, kuvaaviin tieteisiin: eläintiede, kasvitiede, mikrobiologia jne. Ja jotenkin on sanomattakin selvää, että jokaisen niistä tutkimuksen tarkoituksena on yksityiskohtaisemmin selittää evoluutiopuun yhtä tai toista haaraa.
Samaan aikaan viimeisen sadan vuoden aikana valtava osa biologiaa on haarautunut alkuperäisestä, kuvaavasta tieteestä ja sulautunut lääketieteeseen muodostaen yhden biolääketieteen haaran. Sille on ominaista erilainen analyyttinen lähestymistapa. Tutkija ei kuvaa vain hiirtä - hän varttaa siihen uusia geenejä ja tarkkailee tulosta. Mutta miksi olemme niin kiinnostuneita hiiristä, apinoista ja hedelmäkärpästeistä? Vastaus on yksinkertainen: evoluutioteorian ansiosta tiedämme, että hiiren organismin toiminta ei pohjimmiltaan eroa omasta työstämme. Seurauksena on, että analyyttisellä biologialla on paljon enemmän käytännön hyötyjä kuin kuvailevassa biologiassa.
Mutta on olemassa kolmas biologian muoto, joka on vasta alkamassa ilmaantua nykyään. Nykypäivän”analyyttinen” biologi modifioi elävää organismia ymmärtämään sen toiminnan. Huomenna hän luo organismeja tyhjästä tätä varten - tämä on synteettisen biologian lähestymistapa.
Itse asiassa varmin tapa ymmärtää minkä tahansa mekanismin rakenne on rakentaa se itse. Jo tänään tutkijat pystyvät syntetisoimaan kokonaiset genomit koeputkessa ja saamaan ne toimimaan elävässä solussa. Tämä kokeilu osoittaa yksiselitteisesti, mitkä geenit ovat välttämättömiä elämän olemassaololle - mikä tarkoittaa, että se avaa ennennäkemättömät mahdollisuudet niiden muokkaamiseen, muokkaamiseen ja alistamiseen tahdollemme. Analyyttisen biologian löytöt tehdään "ylhäältä alas": organismi hajotetaan mahdollisimman perusaineosiksi. Toisaalta synteettinen biologia tutkii eläviä asioita "alhaalta ylöspäin": koko organismi koostuu mahdollisimman monesta peruskomponentista.
Mainosvideo:
Mutta miten aloittaa "elämän syntetisointi", jos elämän alkuperässä ymmärretään niin vähän? Edellä mainitussa keinotekoisen genomin esimerkissä tutkijat lisäsivät sen elävään soluun, josta sen oma DNA poistettiin. Siksi elävien olentojen kahdesta pääkomponentista - solusta ja sen sisältämistä geeneistä - tutkijat ovat toistaiseksi onnistuneet syntetisoimaan vain yhden.
Elämä ilmestyi maan päälle noin 3,5 - 4 miljardia vuotta sitten: geologisten standardien mukaan melkein heti planeetan muodostumisen jälkeen 4,5 miljardia vuotta sitten. Mutta kaikki nykypäivän biologian vakava "kronikka" alkaa paljon myöhemmin: siihen aikaan solut hengittivät jo happea, syntetisoivat ahkerasti tuhansia proteiineja, monet heistä ovat jo kauan sitten yhdistyneet monisoluisiksi organismeiksi, jotka tiesivät jo parittautua, etsiä aktiivisesti ruokaa ja jopa muistaa tietoja.
Synteettisen biologin kannalta evoluution muinaisimmat vaiheet, kadonneet vuosisatojen ajan, ovat erittäin tärkeitä, joiden aikana asetettiin elävien olentojen järjestämisen perusperiaatteet. Miksi esimerkiksi proteiinit koostuvat yksinomaan kääntyvistä aminohapoista? Näiden proteiiniketjujen "helmien" kemiallinen rakenne on sellainen, että ne voivat esiintyä kahdessa peilatussa muodossa, joita kutsutaan vasemmaksi ja kääntyviksi. Näyttää siltä, että näiden molekyylien kemialliset ominaisuudet eivät eroa: ne koostuvat samoista atomista samoilla etäisyyksillä toisistaan. Siitä huolimatta kaikki elävät asiat käyttävät yksinomaan vasempaan suuntaan suuntautuvia aminohappoja.
Onko tässä syvä merkitys vai onko se sattuma, jonka perimme "alkuperäisestä" solusta? Onko mahdollista luoda "kiertävä proteiini"? Kiertävä organismi? Eroavatko ne muista elävistä? Nämä mysteerit liittyvät suoraan elämän alkuperään. Luettelo jatkuu: tarvitaanko fosforia DNA: ssa? Onko elämä mahdollista ilman solua? Mitä kemikaaleja tarvitaan itsetoistumiseen? Näiden kysymysten takana olevat käytännön mahdollisuudet ovat rajattomat.
Vaikka elämä tuodaan maan päälle avaruudesta, kuten monet uskovat, tämä ei millään tavoin muuta tulevaisuuden evoluutiobiologian ja synteettisen biologian kysymyksiä. Jos elämää ei ilmestynyt maan päälle, missä, ja mikä tärkeintä - miten? On todennäköistä, että tämä mysteeri pysyy ratkaisematta - vaikka kukaan ei tiedä mitä huomenna tulevat löydöt tuovat.
Kaikki nykyään planeetalla elävät organismit syntyivät yhdestä yhteisestä esi-isästä. Mutta tällä esi-isällä oli jo solu ja kaikki sen peruskomponentit. Tiede ei tiedä mitään evoluution umpikujasta ennen yhteisen esi-isän ilmestymistä tai siitä, oliko muita, rinnakkaisia "elämäpuita".
Riddle kaksi: mistä me tulimme?
Missä tahansa muodossa elämä ilmestyi ensimmäistä kertaa maan päälle, kolmen ja puolen miljardin vuoden kuluttua evoluutio synnytti Homo sapiens - Homo sapiens -lajin suorat esi-isät.
Tämän ainutlaatuisen apinan alkuperä ymmärretään paljon paremmin kuin useimpien muiden lajien evoluutio. Mutta ilmeisistä syistä huomiomme asiaan on paljon korkeampi kuin muihin eläimiin. Emme ole kovin kiinnostuneita siitä, kuinka myyrien tai hiukkasten esi-isät muuttivat mantereiden yli. Mutta kun kyse on lähimmistä sukulaisistamme, heidän matkustamisestaan ympäri maailmaa ja vuorovaikutuksesta toisiinsa tulee todellinen historiallinen etsivä.
Viime aikoina tutkijat ovat rakentaneet luun koko ihmiskunnan sukututkimuksen. Eri puolilla maailmaa löydettyjä luurankoja analysoitiin sellaisten piirteiden suhteen kuin hampaiden rakenne ja kallon tilavuus. Näiden tietojen perusteella luurankot ryhmiteltiin lajeihin, ja niiden samankaltaisuuksien ja erojen perusteella rakennettiin kuva tyhmien apinoiden asteittaisesta muuttumisesta älykkääiksi ihmisiksi, joiden keppi oli heidän käsissään.
Kuten viime vuosina kävi selväksi, sellaisella kuvalla on vähän tekemistä todellisuuden kanssa. Ihmisten lähimpien esi-isien evoluutio ei ole joidenkin lajien peräkkäinen muutos toisiksi, vaan haarautunut puu, jolla on monia umpikujaisia oksia. Voi olla erittäin vaikeaa ymmärtää kuinka nämä haarat ovat yhteydessä toisiinsa. Nykyään fossiilisista jäännöksistä saadun DNA: n analysoinnin uusimmat tekniikat auttavat meitä tässä.
Esimerkiksi, olemme todistamassa vauhdikkaan tieteellisen draaman välittömien esi-isiemme - varhaisen Homo sapiensin - suhteesta serkkunsa: neandertallasten ja denisovansien kanssa.
Loi työvoima ihmisen?
1900-luvulle asti arkeologia oli melko järkyttävää tiedettä, joka pyrki näkemään todisteita ihmisen suuruudesta jokaisessa löydetyssä luussa. Varhaisen arkeologian hoikkaiden, mutta täysin perusteettomien hypoteesien joukossa ajatus nousee esiin siitä, että työkalujen hallitseminen - luonnossa väitetyn ennennäkemätön ilmiö - määräsi suoraan ihmisten ulkonäön. Tämän hypoteesin kaikuja kuullaan laji Homo habilis - taitava henkilö, jota pidettiin aikaisemmin Homo-suvun vanhimpana edustajana.
Nykyään on selvää, että työkalujen käyttö ei ole kaikkea ainutlaatuista ihmisille. Esimerkiksi kivien ja tikkujen avulla muinaiset apinat - panantroopit olivat hyvin hallittavissa. Nykyaikaiset eläimet, kuten korpit, delfiinit, norsut ja tietysti monet kädelliset käyttävät myös työkaluja. Tutkijat kiistävät edelleen siitä, mikä sai ihmisen esi-isät tarkalleen seisomaan jaloilleen ja kehittämään valtavan aivot, mutta "taiton" liiallinen romantiikka on tänään vanhentunut.
Kuva: depositphotos.com/poeticpenguin
Vuonna 2010 neandertaalinen genomi purettiin. Saatujen tietojen analysoinnin perusteella pääteltiin, että tämä laji, jota aikaisemmin pidettiin itsenäisenä, haastaa aktiivisesti esi-isiemme kanssa ja toi 1-4 prosenttia geneettisestä tiedosta nykyajan eurooppalaisen DNA: hon.
Ei kauan ennen sitä - vuonna 2008, löydettiin toinen nykyaikaisen miehen serkku, Denisovite. Hän ei myöskään halunnut lyödä "kohtuullisia" nuoria naisia: joidenkin Kaakkois-Aasian alueiden nykypäivän asukkailla on 3 - 5% hänen DNA: sta jäljellä.
Jo jonkin aikaa tämä rakkauskolmio oli melko hoikka kuva. Afrikassa Homo-suvun kolme haaraa syntyy yhteisestä esi-isästä. Neandertalit muuttavat Eurooppaan, Denisovanit Aasiaan. Kolmas haara on edelleen Afrikassa. Hän muuttuu vähitellen Homo sapiensiksi ja menee kävelylle ympäri maailmaa "poimien" vastaavia geenejä lännessä ja idässä siellä jo elävistä "serkkuista". Jatkossa Homo sapiens syrjäyttää sekä nämä että muut serkut maapallolta (tarkalleen kuinka - toinen historiassa oleva valkoinen piste), mutta säilyttää sekä neandertallaisten että Denisovanien "jäljennökset".
Viime aikoina Leipzigin evoluutioantropologian instituutin tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet tulkitsemaan osan ihmisen evoluution kaikkien kolmen haaran yhteisen esi-isän genomista. Huolimatta siitä, että tämä esi-isä ei ollut vielä neandertallainen tai Denisovan, hänen jäänteensä löydettiin Espanjasta - hyväksytyn kuvan perusteella kävi ilmi, että hänen oli poistuttava Afrikasta ja siirryttävä "neandertalisaation" tielle.
Geneettisen analyysin tulokset olivat kuitenkin järkyttäviä. "Espanjalaisen" miehen DNA osoittautui olevan paljon lähempänä Denisovanin perimää, jonka ei olisi pitänyt olla lainkaan Euroopassa! Osoittautuu, että kokonaiskuva suhteistamme Denisovansiin ja Neanderthaliiniin ei ole kaukana kiistämättömästä tosiasiasta.
Kuvattu esimerkki on vain yksi monista avoimen modernin paleoantropologian kysymyksistä. Vain uskonnolliset fanaatikot epäilevät nykyään ihmistä polveutuvan apinaan. Mutta mitä tarkalleen tapahtui esivanhempiemme kanssa pari miljoonaa vuotta, erottaen lasku puista ja tallennetun historian - yleensäkin, mysteeri on edelleen.
On identifioitu 78 nukleotidisubstituutiota, jotka erottavat nykyajan ihmiset neandertaloista. Viiden geenin toiminnot, joille on tunnusomaista moninkertaiset substituutiot, on osoitettu. Jotkut heistä ovat aktiivisia iholla ja hiuksilla ja osallistuvat selvästi "ihmisen" ulkonäön ja visuaalisen havainnon luomiseen (CAN15). Toiset liittyvät ilmeisesti ihmisen henkisiin ominaisuuksiin. Yksi geeneistä määrittää siittiöiden aktiivisuuden - todennäköisesti se kehittyi seksuaalisen valinnan vaikutuksesta.
Kolmas arvoitus: mikä on virus?
Ihmisten ja todellakin useimpien nykyaikaisten eläinten ja kasvien tapauksessa voidaan ainakin karkeasti luoda yhteys evoluutio-esi-isien kanssa. Virologit eivät voi ylpeillä tästä. Itse asiassa tiede ei vieläkään ymmärrä, mikä virus on.
Tosiasia on, että nämä mikroskooppiset solunsisäiset loiset eivät sovi lainkaan elävän maailman järjestelmään. Kaikki meille tunnetut elävät esineet koostuvat ja tulevat soluista. Virus esiintyy myös vain solujen avulla: se tarvitsee isäntää lisääntyäkseen. Jos kaikki solut katoavat yhtäkkiä planeetalta, viruksista muuttuu merkityksettömiä proteiini- ja DNA-kuplia, jotka eivät kykene biologisiin toimintoihin.
Kuinka tällainen outo muoto esiintyi? Pääversioita on kaksi.
Ensimmäinen versio: virukset ovat karkaantuneita geenejä. Tällaista skenaariota ei ole vaikea kuvitella. Genomissamme on elementtejä, joita kutsutaan transposoneiksi, jotka voivat leikata itsensä genomin yhdestä osasta ja liittää itsensä toiseen. Joskus nämä "liikkuvat geenit" ottavat mukanaan muita DNA: n kappaleita, jotka ovat naapurustossa. Oletetaan, että miljardeja vuosia sitten yksi näistä "liikkuvista geeneistä" koottiin vahingossa yhteen joukkoon itsenäiselle olemassaololle välttämättömän vähimmäisjoukon: esimerkiksi vasemmalla puolella oli "kopiokone", jota tarvittiin DNA: n toistamiseen, ja oikealla - "penknife", jossa oli jonka avulla pääset uuteen soluun. Siitä hetkestä lähtien geeni muuttui virukseksi ja alkoi kehittyä erillään emo-organismista.
Toinen versio: virukset ovat yksinkertaistettuja soluja. Useat tutkijat ovat nykyään taipuvaisia tähän versioon ensisijaisesti johtuen useiden jättiläisvirusten löytämisestä, jotka ovat verrattavissa soluihin. Tämän version mukaan virukset voivat olla kerran olleet solu-organismeja - esimerkiksi bakteereja. Nämä bakteerit ovat oppineet loistaudistamaan muita, suurempia soluja. Vähitellen he pääsivät eroon kaikesta tarpeettomasta, mukaan lukien omat "soluvälineensä" - ja muuttuivat siten viruksiksi, jotka säilyttivät vain muutamat tartunnalle tarvittavat geenit ja "työkalut".
Tätä hypoteesia tukee historiallinen ennakkotapaus. Jotain vastaavaa tapahtui mitokondrioilla - "energia-asemilla", jotka muodostavat solumme. Aikaisemmin he olivat bakteereja, mutta sitten he solmivat allianssin suurempien solujen kanssa, menettivät itsenäisyytensä ja ovat nykyään olennainen osa niitä.
Kuten elämän alkuperä, virusten historia on kadonnut vuosisatojen ajan. Viruksilla ei ole luita tai kuoria, ne eivät jätä fossiileja tai jälkiä sedimenttikiveihin. On mahdollista, että virukset esiintyivät itsenäisesti (mahdollisesti eri tavoin) useita kertoja. Lähes varmasti tiedetään, että kaikki elävät organismit ovat peräisin yhdestä solusta. Koskeeko tämä myös "puolinaikaisia" viruksia, ei vielä tiedetä.
Virusten alkuperästä on olemassa kolmas versio, jonka mukaan ne syntyivät jo ennen niiden isäntien, solujen ilmestymistä. Tämän version mukaan alun perin oli olemassa itsenäistyneiden geneettisten elementtien virosfääri. Jotkut näistä elementeistä saivat solurakenteen ja lopulta synnyttivät kaikki kolme elämän aluetta. Virukset siirtyivät kuitenkin vähitellen parasitismiin ja kehittyivät edelleen rinnakkain soluisäntiensä kanssa.
Riddle neljä: miksi me tarvitsemme unta?
Vietämme kolmanneksen elämästämme unessa - ja samalla emme ymmärrä miksi. Tiedämme jotain unessa tapahtuvasta ja osittain siitä, miksi unelma voisi ilmetä. Mutta tiede ei voi vielä vastata kysymykseen, miksi uni on niin välttämätön.
Ympäristön vuorokausirytmit ja erityisesti nukkuminen liittyvät ilmeisesti maan kiertämiseen auringon ympärillä. Riippumatta eläimen ominaisuuksista, melkein jokaiselle heistä on vuorokaudenaika, jolloin on turvallisempaa olla tekemättä mitään, vaan vain istua hiljaa ja olla kiinni. On aivan loogista, että uni olisi voinut vaikuttaa energiansäästötilaan tässä "valmiustilassa". Loput nukkumistoiminnot - esimerkiksi muistin käsittely ja kovettaminen - näyttivät todennäköisesti "lisäosina" tämän moodin aikana.
Mutta tämä teoria ei ollenkaan selitä miksi uni on niin välttämätöntä. Tieteellisesti dokumentoitu ennätys tahallisesta unen puutteesta (ilman stimulantteja) on 11 päivää ja kuuluu amerikkalaiselle Randy Gardnerille. Jopa tällainen ei-niin vaikuttava levy voisi päättyä katastrofiin: Vuonna 2012 Euro 2012 -tapahtumaa seurannut kiinalainen jalkapallofani kuoli samanaikaisesta unettomasta maratonista. Sairaudet, jotka vahingoittavat nukkumismekanismeja, ovat erittäin vaaralliset. Parantumaton perinnöllinen häiriö, nimeltään kohtalokas unettomuus, puhuu puolestaan: Oireiden puhkeamisen jälkeen potilaat eivät elää edes vuotta.
Aivoalueiden ennusteet, jotka muuttavat aktiivisuutta unen puutteen jälkeen. Vihreä tarkoittaa aktiivisuuden vähenemistä, punainen - lisääntymistä
Kuva: cercor.oxfordjournals.org
Onko eläimiä, jotka eivät nukku? Tämän kysymyksen kysyivät Wisconsinin yliopiston tutkijat Madisonista. Tarkasteltuaan saatavilla olevia tietoja he päättelivät: "Unisen" eläimen olemassaolosta ei ole toistaiseksi olemassa yhtä selvästi ja yksiselitteisesti todistettua tapausta. Tämä ei sulje pois tätä mahdollisuutta: kirjoittajat korostavat, että useimpien lajien nukkumista koskevat tiedot ovat erittäin niukkoja.
Siitä huolimatta käytettävissä olevat tiedot ovat riittävät melko yksiselitteiseen kuvaan: ihmiset, rotat eivätkä jopa torakoiden kärpäset eivät voi elää ilman unta. Kaikki osoittaa, että uni on sama elävien asioiden universaali ominaisuus kuin hengitys tai perinnöllisyys. Mutta jos jälkimmäisen merkitys on tänään selvä, silloin tiedemiesten on hikoiltava paljon unen roolista.
Mistä lentää unelma?
Uudet tekniikat ovat parantaneet merkittävästi kykyämme tutkia unia muilla lajeilla. Esimerkiksi nykyaikaisten laitteiden avulla voit ampua jotain elektroenkefalogrammia … nukkuvalta kärpältä. Viime vuonna tehdyssä tutkimuksessa Australian Queenslandin yliopiston tutkijat osoittivat, että kärpäset eivät vain nukuta, vaan myös erilaisia univaiheita - aivan kuten meitäkin. Nämä vaiheet vaihtelevat syvyydessä ja vuorottelevat yön aikana, jolloin syvän unen aika kasvaa, jos kärpäkset väsyvät. Yleisesti ottaen kärpäsen uni on niin samankaltainen kuin meidän, että tutkijat keskustelevat voimallisuudesta ja pitävät hedelmäkärpästen käyttöä mallina tutkia poikkeavuuksia, joille on ominaista unihäiriöt.
Kuva: depositphotos.com/Tomatito
Riddle viisi: mikä on "minä"?
Viimeinen mysteeri, jonka nykypäivän biologia hajottaa, liittyy myös hermostolliseen toimintaan, mutta paljon monimutkaisemmaksi kuin Drosophilan uni. Tietoisuus on niin monimutkainen ja vaikea määritellä prosessi, että henkilö määritteli pitkään ylimielisesti sen omana yksikkönään.
Ihmisen tietoisuuden ainutlaatuisuus on nykyään pikemminkin filosofinen kuin biologinen kysymys. Ei ole epäilystäkään siitä, että henkilö on saavuttanut ennennäkemättömän korkeuden älynsä kehityksessä. Mutta onko aivojemme rakenteessa ja työssä jotain laadullisesti uutta? Todennäköisesti ei. Koirilla on tunteita, apinoilla voi laskea, ja delfiineillä on jopa kieli, jolla on kielioppi ja kulttuurieroja eri puolilla maailmaa. Eläimiä opiskellessamme ymmärrämme intuitiivisesti, että jotkut heistä ovat ainakin etäisesti tietoisia omasta olemassaolostaan. Mutta emme vieläkään ymmärrä täysin, mikä tämän tietoisuuden takana on. Yksinkertaisesti sanottuna, emme tiedä mitä tietoisuus on.
Kuva: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Viime vuosina neurobiologia on saavuttanut ennennäkemättömän korkeuden. Meillä on hyvä käsitys hermosolujen toiminnasta, kuinka ne aktivoituvat tai tukahdutetaan ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Tiedämme, mitä muutoksia näiden solujen koostumuksessa oppimisen ja muistinmuodostuksen aikana. Tiedämme, mitkä aivojen osat ovat vastuussa tästä tai toisesta käytöksestä.
Mutta tietäminen, että eturauhasen aivokuori on jotenkin yhteydessä sosiaalisiin vuorovaikutuksiin ja siinä olevat neuronit pommittavat toisiaan erityisillä molekyyleillä ja sähkökentällä, ei tarkoita lainkaan ymmärtää miten yksi pääsee toiselta. Nykyään tutkijat yrittävät simuloida yksinkertaisimpien hermoverkkojen toimintaa: nykyiset tiedot kuvaavat ainutlaatuisesti ehkä meduusan "tietoisuutta". Tiede ei vielä kykene "hakkeroimaan" ihmisen tietoisuutta, riippumatta siitä, kuinka paljon scifi-ystävät sitä haluavat.