Der er kun fem store mysterier inden for moderne biologi
Gåte 1: hvor kom livet fra?
Biologi - oversat fra den græske "livsvidenskab" - har ingen idé om, hvor emnet for dens undersøgelse kom fra. Situationen er ikke unik - fysikere for eksempel forstår heller ikke særlig godt, hvordan nøjagtigt Plancks konstant eller tyngdekraften opstod. Men kun inden for biologien har spørgsmål om "begyndelsen af begyndelsen" måske en så akut betydning.
Den amerikanske genetiker af sovjetisk oprindelse Theodosius Dobrzhansky sagde, at intet i denne videnskab giver mening, hvis det ikke ledes gennem evolutionsteorien.
Biologisk videnskab er baseret på de klassiske, beskrivende discipliner: zoologi, botanik, mikrobiologi osv. Og på en eller anden måde siger det sig selv, at formålet med undersøgelsen af hver af dem er den mest detaljerede afklaring af en eller anden gren af det evolutionære træ.
Samtidig har en enorm del af biologien i de sidste hundrede år forgrenet sig fra den oprindelige, beskrivende videnskab og fusioneret med medicin og dannet en enkelt biomedicinsk gren. Det er kendetegnet ved en anden tilgang, analytisk. Forskeren beskriver ikke bare musen - han transplanterer nye gener i den og observerer resultatet. Men hvorfor er vi så interesserede i mus, aber og frugtfluer? Svaret er simpelt: takket være evolutionsteorien ved vi, at musearganismens arbejde grundlæggende ikke er anderledes end vores eget arbejde. Som et resultat har analytisk biologi langt mere praktiske fordele end beskrivende biologi.
Men der er en tredje form for biologi, som lige er begyndt at dukke op i disse dage. Dagens “analytiske” biolog ændrer en levende organisme for at forstå, hvordan den fungerer. I morgen skaber han organismer fra bunden af dette - dette er syntetisk biologi.
Faktisk er den sikreste måde at forstå strukturen i en hvilken som helst mekanisme at bygge den selv. Allerede i dag er forskere i stand til at syntetisere hele genomer i et reagensglas og få dem til at arbejde i en levende celle. Dette eksperiment viser utvetydigt, hvilke gener der er nødvendige for livets eksistens - hvilket betyder, at det åbner hidtil usete muligheder for deres modifikation, ændring og underkastelse af vores vilje. Opdagelserne af analytisk biologi gøres "fra top til bund": organismen nedbrydes til så basale komponenter som muligt. På den anden side undersøger syntetisk biologi levende ting "nedenfra og op": hele organismen er sammensat af så mange basale komponenter som muligt.
Salgsfremmende video:
Men hvordan begynder man at "syntetisere livet", hvis der er så lidt, der forstås i livets oprindelse? I det førnævnte eksempel med et kunstigt genom indsatte forskere det i en levende celle, hvorfra sit eget DNA blev fjernet. Således har videnskaberne hidtil kun formået at syntetisere en af de to hovedkomponenter i levende ting - cellen og de gener, den indeholder.
Livet dukkede op på Jorden for omkring 3,5 - 4 milliarder år siden: efter geologiske standarder næsten umiddelbart efter dannelsen af planeten for 4,5 milliarder år siden. Men enhver seriøs "kronik" i nutidens biologi begynder meget senere: På det tidspunkt indåndede celler allerede ilt, omhyggeligt syntetiserede tusinder af proteiner, mange af dem er længe blevet samlet i flercellede organismer, der allerede vidste, hvordan de skulle parre sig, aktivt søge mad og endda huske information.
For en syntetisk biolog er de mest gamle udviklingsstadier, tabt i århundreder, af grundlæggende betydning, hvor de grundlæggende principper for organisering af levende ting blev lagt. Hvorfor er proteiner for eksempel udelukkende sammensat af levorotatoriske aminosyrer? Den kemiske struktur af disse "perler" af proteinkæder er sådan, at de kan eksistere i to spejleformer, kaldet venstre og dextrorotatorisk. Det ser ud til, at disse molekylers kemiske egenskaber ikke adskiller sig: De består af de samme atomer i samme afstand fra hinanden. Ikke desto mindre bruger alle levende ting udelukkende levorotatoriske aminosyrer.
Er der en dyb betydning i dette, eller er det en ulykke, vi har arvet fra den "originale" celle? Er det muligt at skabe et "dextrorotatory protein"? En dekstrorotatorisk organisme? Vil de være forskellige fra andre levende ting? Disse mysterier er direkte relateret til livets oprindelse. Listen fortsætter: kræves fosfor i DNA? Er livet muligt uden en celle? Hvilke kemikalier er der brug for til selvreplikation? De praktiske muligheder bag disse spørgsmål er uendelige.
Selv hvis livet blev bragt til jorden fra rummet, som mange tror, ændrer dette ikke på nogen måde de spørgsmål, som fremtidens evolutionære og syntetiske biologi står overfor. Hvis der ikke optrådte liv på Jorden, hvor, og vigtigst af alt - hvordan? Det er sandsynligt, at dette mysterium forbliver uløst - selvom ingen ved, hvad opdagelserne i morgen bringer.
Alle organismer, der lever på planeten i dag, stammede fra en fælles stamfar. Men denne stamfar havde allerede en celle og alle dens grundlæggende komponenter. Videnskaben ved intet om evolutionsgrene inden udseendet af en fælles forfader eller om der var andre, parallelle "livstræer".
Gåte to: hvor kom vi fra?
I uanset hvilken form der først kom liv på Jorden, efter tre og en halv milliard år fødte evolution de direkte forfædre til arten Homo sapiens - Homo sapiens.
Oprindelsen af denne unikke abe forstås meget bedre end udviklingen af de fleste andre arter. Men af åbenlyse grunde er vores opmærksomhed på problemet meget højere end når det anvendes til andre dyr. Vi er ikke meget interesseret i, hvordan forfædre til voles eller papegryder vandrede over kontinentene. Men når det kommer til vores nærmeste slægtninge, bliver deres rejser rundt i verden og interaktion med hinanden til en rigtig historisk detektiv.
For nylig har forskere bygget hele slægtsforskningen til den menneskelige race på knogler. Skeletter, der findes i forskellige dele af verden, blev analyseret for sådanne egenskaber som tændernes struktur og kraniets volumen. Baseret på disse data blev skeletterne grupperet i arter, og baseret på deres ligheder og forskelle blev der bygget et billede af den gradvise omdannelse af dumme aber til smarte mennesker med en pind i deres hænder.
Som det blev klart i de senere år, har et sådant billede lidt at gøre med virkeligheden. Udviklingen af de nærmeste menneskelige forfædre er ikke en sekventiel omdannelse af nogle arter til andre, men et forgrenet træ med mange blindgyder. Det kan være ekstremt vanskeligt at forstå, hvordan disse grene er forbundet med hinanden. I dag hjælper os de nyeste teknologier til analyse af DNA, der er opnået fra fossile rester.
For eksempel er vi vidne til et actionfyldt videnskabeligt drama om forholdet mellem vores direkte forfædre - tidlige Homo sapiens - med deres kusiner: neandertalere og Denisovans.
Skabte arbejdskraft mand?
Indtil det 20. århundrede var arkæologien en ret rystet videnskab, der var tilbøjelig til at se bevis på menneskelig storhed i alle fundne knogler. Blandt de slanke, men fuldstændigt ubegrundede hypoteser fra den tidlige arkæologi fremhæver ideen, at beherskelsen af værktøjer - et angiveligt hidtil uset fænomen i naturen - direkte bestemte menneskers udseende. Ekkoer af denne hypotese høres i navnet på arten Homo habilis - en dygtig person, der tidligere blev betragtet som den ældste repræsentant for slægten Homo.
Det er tydeligt i dag, at brugen af værktøjer langt fra er unik for mennesker. Med sten og pinde var for eksempel de gamle aber - pananthropes, godt kontrolleret. Moderne dyr, som ravne, delfiner, elefanter og selvfølgelig mange primater bruger også værktøjer. Forskere argumenterer stadig for, hvad der præcist fik menneskelige forfædre til at stå på deres fødder og udvikle en enorm hjerne, men den overdreven romantisering af "dygtighed" er forældet i dag.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
I 2010 blev det neandertaler genom afkodet. Baseret på analysen af de opnåede data blev det konkluderet, at denne art, der tidligere blev betragtet som uafhængig, faktisk var blandet med vores forfædre og bragte fra 1 til 4% af genetisk information til DNA fra en moderne europæer.
Ikke længe før - i 2008 - blev en anden "fætter" af en moderne mand, en Denisovite, opdaget. Han var heller ikke villig til at slå de "fornuftige" unge damer: dagens beboere i nogle regioner i Sydøstasien har 3 - 5% af hans DNA tilbage.
I nogen tid stod et ret slankt billede af denne kærlighedstrekant op. I Afrika stammer tre grene af slægten Homo fra en fælles stamfar. Neanderthaler migrerer til Europa, Denisovans til Asien. En tredje gren forbliver i Afrika. Hun forvandles gradvis til en Homo sapiens og går en tur rundt i verden og "samler" de tilsvarende gener i vest og øst fra de "kusiner", der allerede bor der. I fremtiden fortrænger Homo sapiens både disse og andre fætre fra jordens overflade (nøjagtigt hvordan - en anden hvid plet i historien), men bevarer "aftryk" fra både neandertalere og Denisovans.
For nylig har videnskabsmænd fra Institut for Evolutionær Antropologi i Leipzig imidlertid formået at dechiffrere en del af genomet til den fælles stamfar i alle tre grene af den menneskelige evolution. På trods af det faktum, at denne forfader endnu ikke var Neandertal eller Denisovan, blev hans rester fundet i Spanien - baseret på det accepterede billede viste det sig, at han måtte forlade Afrika og satte fod på vejen til "neandertalisering".
Resultaterne af den genetiske analyse var dog chokerende. DNA fra den "spanske" mand viste sig at være meget tættere på genomet til Denisovan, som slet ikke skulle have været i Europa! Det viser sig, at hele billedet af vores forhold til Denisovans og neandertalerne langt fra er en ubestridelig kendsgerning.
Det beskrevne eksempel er kun et af de mange åbne spørgsmål i moderne paleoanthropology. Kun religiøse fanatikere i dag tvivler på, at mennesket stammede fra en abe. Men hvad der nøjagtigt skete med vores forfædre et par millioner år, der adskiller nedstigningen fra træerne og den registrerede historie er stort set et mysterium i dag.
Der er identificeret 78 nukleotidsubstitutioner, der adskiller moderne mennesker fra neandertalere. Funktioner af 5 gener, der er kendetegnet ved flere substitutioner, er indikeret. Nogle af dem er aktive i huden og håret og er tydeligvis involveret i skabelsen af et "menneskeligt" udseende og visuel opfattelse (CAN15). Andre er naturligvis forbundet med en persons mentale egenskaber. Et af generne bestemmer sædaktiviteten - sandsynligvis udviklede den sig under påvirkning af seksuel selektion.
Gåte tre: hvad er en virus?
For mennesker og faktisk med de fleste moderne dyr og planter kan man i det mindste groft få en forbindelse med evolutionære forfædre. Virologer kan ikke prale af dette. Faktisk forstår videnskaben stadig ikke, hvad en virus er.
Faktum er, at disse mikroskopiske acellulære parasitter slet ikke passer ind i den levende verdens system. Alle levende ting, vi kender, består og kommer fra celler. Virussen findes også kun ved hjælp af celler: den har brug for en vært for at reproducere sig selv. Hvis alle celler pludselig forsvandt fra planeten, ville vira blive til meningsløse bobler af proteiner og DNA, ude af stand til biologiske funktioner.
Hvordan eksisterede en sådan mærkelig form for stof? Der er to hovedversioner.
Første version: vira er løbende gener. Et sådant scenario er ikke svært at forestille sig. Der er elementer i vores genom kaldet transposoner, der kan skære sig ud af den ene del af genomet og indsætte sig selv i en anden. Nogle gange tager disse "mobile gener" med sig andre DNA-stykker, der er i nabolaget. Det antages, at for milliarder af år siden, en af disse "bevægelige gener" ved et uheld blev samlet i et sæt, det minimumssæt, der var nødvendigt for uafhængig eksistens: til venstre var der for eksempel en "kopimaskine", der var nødvendig for at gengive DNA, og til højre - en "penkniv" med som du kunne komme ind i en ny celle. Fra det øjeblik blev genet omdannet til en virus og begyndte at udvikle sig separat fra forælderorganismen.
Anden version: vira er forenklede celler. Et antal forskere i dag er tilbøjelige til denne version primært på grund af opdagelsen af et antal gigantiske vira, der kan sammenlignes i størrelse med celler. I henhold til denne version kan vira engang have været cellulære organismer - for eksempel bakterier. Disse bakterier har lært at parasitere på andre, større celler. Efterhånden blev de kvittet med alt unødvendigt, inklusive deres eget "celleudstyr" - og blev således til vira, der kun bevarede nogle få gener og "værktøjer", der var nødvendige for infektion.
Denne hypotese understøttes af historisk præcedens. Noget lignende skete med mitokondrier - "energistationer", der udgør vores celler. En gang var de bakterier, men så indgik de en alliance med større celler, mistede deres uafhængighed og i dag er de en integreret del af dem.
Ligesom med livets oprindelse, er viraernes historie fortabt gennem århundreder. Vira har ikke knogler eller skaller, de efterlader ikke fossiler eller spor i sedimentære klipper. Det er muligt, at vira optrådte uafhængigt (muligvis på forskellige måder) flere gange. Det vides næsten helt sikkert, at alle levende organismer stammer fra en celle. Hvorvidt dette gælder "semi-live" vira er stadig ukendt.
Der er en tredje version af viraers oprindelse, ifølge hvilken de opstod allerede før deres værter, celler, optrådte. I henhold til denne version eksisterede oprindeligt virosfæren af selv reproducerende genetiske elementer. Nogle af disse elementer erhvervede en cellulær struktur og gav til sidst anledning til alle tre livsområder. Vira flyttede imidlertid gradvist til parasitisme og fortsatte med at udvikle sig parallelt med deres cellulære værter.
Gåte fire: hvorfor har vi brug for søvn?
Vi tilbringer en tredjedel af vores liv i en drøm - og samtidig forstår vi absolut ikke hvorfor. Vi ved noget om, hvad der sker i en drøm, og til dels hvorfor en drøm kunne vises. Men videnskaben kan endnu ikke besvare spørgsmålet om, hvorfor søvn er så nødvendig.
Døgnrytmer generelt og søvn i særdeleshed er naturligvis forbundet med jordens rotation omkring solen. Uanset hvilke egenskaber der er for dyret, er der for næsten enhver af dem et tidspunkt på dagen, hvor det er mere sikkert ikke at gøre noget, men bare sidde stille og ikke holde sig ud. Det er ganske logisk, at søvn kunne have vist sig som en måde at spare energi i denne "standbytilstand". Resten af søvnfunktionerne - for eksempel behandling og hærdningshukommelse - optrådte sandsynligvis som "tilføjelser" i denne tilstand.
Men denne teori forklarer slet ikke, hvorfor søvn er så nødvendig. Den videnskabeligt dokumenterede fortegnelse over forsætlig søvnmangel (uden brug af stimulanter) er 11 dage og hører til den amerikanske Randy Gardner. Selv en sådan ikke-så imponerende rekord kunne ende i en katastrofe: i 2012 døde en kinesisk fodboldfan, der så Euro 2012 hele natten lang, af et søvnløst maraton af lignende varighed. Sygdomme, der beskadiger søvnmekanismerne, er ekstremt farlige. En uhelbredelig arvelig sygdom kaldet Fatal Familial Insomnia taler for sig selv: Efter symptomdebut lever patienterne ikke engang et år.
Fremskrivninger af områder af hjernen, der ændrer aktivitet efter søvnmangel. Grønt indikerer et fald i aktivitet, rød - en stigning
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Er der dyr, der ikke sover? Dette spørgsmål blev stillet af forskere fra University of Wisconsin i Madison. Efter at have overvejet de tilgængelige data konkluderede de: der er ikke et enkelt klart og utvetydigt beviset tilfælde af eksistensen af et "søvnigt" dyr til dato. Dette udelukker ikke denne mulighed: forfatterne understreger, at data om søvn for de fleste arter er ekstremt knappe.
Ikke desto mindre er de tilgængelige oplysninger tilstrækkelige til et temmelig entydigt billede: Hverken mennesker, rotter eller endda fluer med kakerlakker kan leve uden søvn. Alt tyder på, at søvn er den samme universelle egenskab ved levende ting som vejrtrækning eller arvelighed. Men hvis betydningen af sidstnævnte er indlysende i dag, bliver forskere nødt til at svede meget over søvnens rolle.
Hvad drømmer en flue om?
Nye teknologier har markant forbedret vores evne til at undersøge søvn hos andre arter. For eksempel giver moderne udstyr dig mulighed for at skyde noget, der ligner et elektroencefalogram … fra en sovende flue. I en undersøgelse sidste år viste forskere ved University of Queensland i Australien, at fluer ikke kun sover, men også har forskellige søvnfaser - ligesom os selv. Disse faser varierer i dybde og skifter om natten, hvor "dyb søvn" -tiden øges, hvis fluerne bliver meget trætte. Generelt svarer fluesøvn så til vores, at forskere diskuterer med magt og primært brugen af frugtfluer som en model til undersøgelse af abnormiteter, der er kendetegnet ved søvnforstyrrelse.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Gåte fem: hvad er "jeg"?
Det sidste mysterium, som nutidens biologi nedbrydes, er også relateret til nervøs aktivitet, men meget mere kompliceret end Drosophilas søvn. Bevidsthed er en så kompleks og vanskelig at definere proces, at en person arrogant definerede den som sin egen unikke egenskab.
I dag er det unikke ved menneskelig bevidsthed et filosofisk snarere end biologisk spørgsmål. Der er ingen tvivl om, at en person har nået en hidtil uset højde i udviklingen af sit intellekt. Men er der noget kvalitativt nyt i strukturen og arbejdet i vores hjerne? Mest sandsynligvis ikke. Hunde har følelser, aber kan tælle, og delfiner har endda en sans for sprog med grammatik og kulturelle forskelle i forskellige dele af verden. Ved at studere dyr forstår vi intuitivt, at nogle af dem i det mindste er fjernt opmærksomme på deres egen eksistens. Men vi forstår stadig ikke fuldstændigt, hvad der nøjagtigt ligger bag denne bevidsthed. Kort sagt, vi ved ikke, hvad bevidsthed er.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
I de senere år har neurobiologi nået en hidtil uset højde. Vi har en god idé om, hvordan nerveceller fungerer, hvordan de aktiveres eller undertrykkes, og hvordan de interagerer med hinanden. Vi ved, hvilke ændringer i sammensætningen af disse celler under læring og hukommelsesdannelse. Vi ved, hvilke dele af hjernen der er ansvarlige for denne eller den adfærd.
Men at vide, at den prefrontale cortex på en eller anden måde er forbundet med sociale interaktioner, og neuronerne deri bombarderer hinanden med specielle molekyler og elektriske felter, betyder overhovedet ikke at forstå, hvordan man får den anden. I dag forsøger forskere de allerførste forsøg på at simulere driften af de enkleste neurale netværk: de eksisterende data kan unikt beskrive "bevidstheden" for måske vandmænd. Videnskab er endnu ikke i stand til at "hacke" den menneskelige bevidsthed, uanset hvor meget science fiction-elskere ønsker det.