Šiuolaikinėje biologijoje yra tik penkios pagrindinės paslaptys
Mįslė viena: iš kur atsirado gyvenimas?
- „Salik.biz“
Biologija - išvertus iš graikų kalbos „gyvenimo mokslas“- neturi supratimo, iš kur kilo jos tyrimo objektas. Situacija nėra unikali - pavyzdžiui, fizikai taip pat nelabai supranta, kaip tiksliai atsirado Plancko konstanta ar gravitacijos jėga. Bet tik biologijoje, ko gero, klausimai apie „pradžios pradžią“turi tokią aštrią prasmę.
Sovietinės kilmės amerikiečių genetikas Theodosius Dobrzhansky teigė, kad niekas šiame moksle neturi prasmės, jei jis nėra perduotas evoliucijos teorijai.
Biologijos mokslas remiasi klasikinėmis, aprašomosiomis disciplinomis: zoologija, botanika, mikrobiologija ir kt. Ir kažkaip savaime suprantama, kad kiekvieno iš jų tyrimo tikslas yra kuo detalesnis vienos ar kitos evoliucijos medžio šakos išaiškinimas.
Tuo pačiu metu per pastaruosius šimtą metų didžiulė biologijos dalis išsišakojo iš pradinio aprašomojo mokslo ir susiliejo su medicina, sudarydama vieną biomedicinos šaką. Jam būdingas skirtingas, analitinis požiūris. Mokslininkas ne tik apibūdina pelę - jis į ją įskiepija naujus genus ir stebi rezultatą. Bet kodėl mus taip domina pelės, beždžionės ir vaisinės musės? Atsakymas paprastas: dėka evoliucijos teorijos, mes žinome, kad pelės organizmo darbas iš esmės nesiskiria nuo mūsų pačių darbo. Todėl analitinė biologija turi daug daugiau praktinės naudos nei aprašomoji biologija.
Tačiau yra trečioji biologijos forma, kuri šiomis dienomis tik pradeda ryškėti. Šiandieninis „analitinis“biologas modifikuoja gyvą organizmą, kad suprastų, kaip jis veikia. Rytoj jis už tai sukurs organizmus nuo nulio - toks yra sintetinės biologijos požiūris.
Iš tiesų, patikimiausias būdas suprasti bet kurio mechanizmo struktūrą yra sukurti jį patiems. Jau šiandien mokslininkai gali sintetinti ištisus genomus mėgintuvėlyje ir priversti juos veikti gyvoje ląstelėje. Šis eksperimentas vienareikšmiškai parodo, kokie genai yra būtini gyvybei egzistuoti - tai reiškia, kad jis atveria precedento neturinčias galimybes juos modifikuoti, modifikuoti ir paklusti mūsų valiai. Analitinės biologijos atradimai daromi „iš viršaus į apačią“: organizmas suskaidomas į kiek įmanoma daugiau pagrindinių komponentų. Sintetinė biologija, atvirkščiai, tyrinėja gyvus dalykus „iš apačios į viršų“: visą organizmą sudaro kuo daugiau pagrindinių komponentų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Bet kaip pradėti „sintetinti gyvenimą“, jei gyvybės kilme suprantama tiek mažai? Minėtame pavyzdyje su dirbtiniu genomu mokslininkai įterpė jį į gyvą ląstelę, iš kurios buvo pašalinta jo paties DNR. Taigi iš dviejų pagrindinių gyvų daiktų komponentų - ląstelės ir joje esančių genų - mokslininkams iki šiol pavyko susintetinti tik vieną.
Gyvybė Žemėje atsirado maždaug prieš 3,5 - 4 milijardus metų: pagal geologinius standartus, beveik iškart po planetos susiformavimo prieš 4,5 milijardo metų. Bet bet kokia rimta šių dienų biologijos „kronika“prasideda daug vėliau: iki to laiko ląstelės jau kvėpuodavo deguonimi, kruopščiai sintetindamos tūkstančius baltymų, daugelis jų jau seniai buvo sujungtos į daugialąsčius organizmus, kurie jau žinojo, kaip poruotis, aktyviai ieškoti maisto ir net įsiminti informaciją.
Sintetiniam biologui ypač svarbūs seniausi evoliucijos tarpsniai, prarasti per šimtmečius, per kuriuos buvo išdėstyti pagrindiniai gyvų daiktų organizavimo principai. Kodėl, pavyzdžiui, baltymai sudaryti tik iš pasvirusių aminorūgščių? Šių baltymų grandinių „rutuliukų“cheminė struktūra yra tokia, kad jie gali egzistuoti dviem veidrodiniais pavidalais, vadinamaisiais kairiaisiais ir besisukančiais. Atrodytų, kad šių molekulių cheminės savybės nesiskiria: jos susideda iš tų pačių atomų tuo pačiu atstumu vienas nuo kito. Nepaisant to, visi gyvi daiktai naudoja išskirtinai pasvirusias aminorūgštis.
Ar tai turi gilią prasmę, ar tai atsitiktinumas, kurį paveldėjome iš „originalios“kameros? Ar įmanoma sukurti „virškinamąjį baltymą“? Dekstrotacinis organizmas? Ar jie skirsis nuo kitų gyvų dalykų? Šios paslaptys yra tiesiogiai susijusios su gyvybės kilme. Šis sąrašas tęsiasi: ar DNR reikia fosforo? Ar įmanoma gyvenimas be ląstelės? Kokios cheminės medžiagos reikalingos savęs replikacijai? Šių klausimų praktinės galimybės yra begalinės.
Net jei gyvybė į Žemę buvo atgabenta iš kosmoso, kaip daugelis tiki, tai jokiu būdu nekeičia klausimų, su kuriais susiduria ateities evoliucinė ir sintetinė biologija. Jei gyvybė neatsirado Žemėje, tada kur, o svarbiausia - kaip? Tikėtina, kad ši paslaptis liks neišspręsta - nors niekas nežino, ką rytoj atneš atradimai.
Visi organizmai, gyvenantys planetoje, šiandien kilo iš vieno bendro protėvio. Bet šis protėvis jau turėjo ląstelę ir visus pagrindinius jos komponentus. Mokslas nieko nežino nei apie aklavietės evoliucijos šakas prieš pasirodant bendram protėviui, nei apie tai, ar buvo kitų, lygiagrečių „gyvybės medžių“.
Mįslė antra: iš kur mes kilome?
Kad ir kokia forma gyvybė pirmą kartą atsirado Žemėje, po trejų su puse milijardo metų evoliucija pagimdė tiesioginius Homo sapiens rūšies protėvius - Homo sapiens.
Šios unikalios beždžionės kilmė yra daug geriau suprantama nei daugumos kitų rūšių evoliucija. Tačiau dėl akivaizdžių priežasčių mūsų dėmesys šiam klausimui yra daug didesnis nei tada, kai jis taikomas kitiems gyvūnams. Mums nelabai įdomu, kaip varnų ar kurapkų protėviai migravo per visus žemynus. Tačiau kai kalbame apie artimiausius giminaičius, jų kelionės aplink pasaulį ir sąveikavimas tarpusavyje virsta tikru istoriniu detektyvu.
Visai neseniai mokslininkai iš kaulų sudarė visą žmonijos genealogiją. Buvo tiriami skeletai, rasti skirtingose pasaulio vietose, atsižvelgiant į tokius požymius kaip dantų struktūra ir kaukolės tūris. Remiantis šiais duomenimis, griaučiai buvo sugrupuoti į rūšis, o remiantis jų panašumais ir skirtumais, buvo sudarytas laipsniško kvailų beždžionių virsmo protingais žmonėmis su lazda rankose vaizdas.
Kaip tapo aišku pastaraisiais metais, toks vaizdas turi mažai ką bendro su realybe. Artimiausių žmogaus protėvių evoliucija yra ne nuoseklus kai kurių rūšių virsmas kitomis, o išsišakojęs medis su daugybe negyvų šakų. Gali būti nepaprastai sunku suprasti, kaip šios šakos yra susijusios viena su kita. Šiandien mums tai padėti padeda naujausios iš fosilijų gautų DNR analizės technologijos.
Pvz., Mes esame liudininkai apie veiksmingas mokslines dramas apie mūsų tiesioginių protėvių - ankstyvųjų „Homo sapiens“santykius su pusbroliais: neandertaliečiais ir Denisovanais.
Ar darbo jėga sukūrė žmogų?
Iki XX amžiaus archeologija buvo gana niūrus mokslas, linkęs kiekviename rastame kaule pamatyti žmogaus didybės įrodymus. Tarp lieknų, bet visiškai nepagrįstų ankstyvosios archeologijos hipotezių išsiskiria mintis, kad įrankių įvaldymas - tariamai precedento neturintis gamtos reiškinys - tiesiogiai nulėmė žmonių išvaizdą. Šios hipotezės aidai girdimi Homo habilis rūšies vardu - kvalifikuotas asmuo, kuris anksčiau buvo laikomas senovės Homo genties atstovu.
Šiandien akivaizdu, kad įrankių naudojimas žmonėms nėra būdingas. Akmenimis ir lazdomis, pavyzdžiui, senovės beždžionės - panantropai buvo gerai kontroliuojamos. Šiuolaikiniai gyvūnai, tokie kaip varnos, delfinai, drambliai ir, žinoma, daugelis primatų, taip pat naudoja įrankius. Mokslininkai vis dar ginčijasi dėl to, kas būtent privertė žmogaus protėvius atsistoti ant kojų ir išsivystyti didžiulėms smegenims, tačiau per didelis „įgūdžių“romanizavimas šiandien yra pasenęs.
Nuotrauka: depositphotos.com/poeticpenguin
2010 m. Buvo iššifruotas neandertaliečių genomas. Remiantis gautų duomenų analize, buvo padaryta išvada, kad ši rūšis, anksčiau laikyta nepriklausoma, iš tikrųjų aktyviai kišosi į mūsų protėvius ir į šiuolaikinio europiečio DNR atnešė nuo 1 iki 4% genetinės informacijos.
Neilgai trukus - 2008 m. - buvo atrastas dar vienas šiuolaikinio žmogaus „pusbrolis“Denisovitas. Jis taip pat nevengė pataikyti į „protingas“jaunas moteris: šiandien kai kurių Pietryčių Azijos regionų gyventojams liko 3–5% jo DNR.
Kurį laiką buvo iškabintas gana lieknas šio meilės trikampio paveikslas. Afrikoje trys Homo genties šakos kyla iš bendro protėvio. Neandertaliečiai migruoja į Europą, Denisovanai - į Aziją. Trečioji atšaka liko Afrikoje. Ji pamažu virsta „Homo sapiens“ir eina pasivaikščioti po pasaulį, „pasiimdama“atitinkamus genus vakaruose ir rytuose iš ten jau gyvenančių „pusbrolių“. Ateityje „Homo sapiens“išstumia tuos ir kitus pusbrolius nuo Žemės paviršiaus (tiksliai kaip - dar viena balta dėmė istorijoje), tačiau išlaiko ir neandertaliečių, ir Denisovanų „atspaudus“.
Tačiau visai neseniai Leipcigo Evoliucinės antropologijos instituto mokslininkams pavyko iššifruoti visų trijų žmogaus evoliucijos šakų bendro protėvio genomo dalį. Nepaisant to, kad šis protėvis dar nebuvo neandertalietis ar Denisovanas, jo palaikai buvo rasti Ispanijoje - remiantis priimtu paveikslu paaiškėjo, kad jis turėjo palikti Afriką ir žengti koja „neandertalizacijos“keliu.
Tačiau genetinės analizės rezultatai buvo šokiruojantys. „Ispaniško“vyro DNR pasirodė daug artimesnė Denisovano genomui, kurio Europoje neturėjo būti visai! Pasirodo, visas mūsų santykių su denisovanais ir neandertaliečiais vaizdas toli gražu nėra neginčijamas faktas.
Aprašytas pavyzdys yra tik vienas iš daugelio atvirų šiuolaikinės paleoantropologijos klausimų. Tik religiniai fanatikai šiandien abejoja, ar žmogus nusileido iš beždžionės. Bet kas tiksliai nutiko mūsų protėviams per porą milijonų metų, atskyrus nusileidimą nuo medžių ir užfiksuotą istoriją, iš esmės paslaptis vis dar tebėra.
Buvo nustatyti 78 nukleotidų pakaitalai, išskiriantys šiuolaikinius žmones iš neandertaliečių. Nurodytos 5 genų, kuriems būdingi keli pakeitimai, funkcijos. Kai kurie iš jų yra aktyvūs odoje ir plaukuose ir aiškiai dalyvauja kuriant „žmogaus“išvaizdą ir regimąjį suvokimą (CAN15). Kiti, akivaizdu, yra siejami su psichinėmis žmogaus savybėmis. Vienas iš genų lemia spermos aktyvumą - tikriausiai, ji išsivystė veikiant seksualinei atrankai.
Trečiosios mįslės: kas yra virusas?
Žmonių, iš tikrųjų, daugumos šiuolaikinių gyvūnų ir augalų atveju, bent jau galima maždaug nustatyti ryšį su protėvių evoliucija. Virologai tuo pasigirti negali. Tiesą sakant, mokslas vis dar nesupranta, kas yra virusas.
Faktas yra tas, kad šie mikroskopiniai acetaliniai parazitai išvis netelpa į gyvojo pasaulio sistemą. Visi mums žinomi gyvi daiktai susideda iš ląstelių. Virusas taip pat egzistuoja tik padedant ląstelėms: tam, kad pats galėtų daugintis, jam reikalingas šeimininkas. Jei visos ląstelės staiga išnyktų iš planetos, virusai virsta bereikšmiais baltymų ir DNR burbulais, nesugebančiais atlikti jokių biologinių funkcijų.
Kaip egzistavo tokia keista materijos forma? Yra dvi pagrindinės versijos.
Pirmoji versija: virusai yra bėgantys genai. Tokio scenarijaus nėra sunku įsivaizduoti. Mūsų genome yra elementų, vadinamų transposonais, kurie gali iškirpti save iš vienos genomo dalies ir įterpti į kitą. Kartais šie „mobilieji genai“pasiima kitus kaimynystėje esančius DNR gabalus. Manoma, kad prieš milijardus metų vienas iš šių „mobiliųjų genų“atsitiktinai surinko viename rinkinyje būtiniausią savarankiškam egzistavimui rinkinį: pavyzdžiui, kairėje, pavyzdžiui, buvo „kopijavimo aparatas“, reikalingas DNR atkurti, o dešinėje - „penknife“su su kuria galėtum patekti į naują kamerą. Nuo tos akimirkos genas virto virusu ir pradėjo vystytis atskirai nuo pirminio organizmo.
Antroji versija: virusai yra supaprastintos ląstelės. Daugybė mokslininkų šiandien linkę į šią versiją pirmiausia dėl to, kad buvo rasta daugybė milžiniškų virusų, panašių į ląsteles. Pagal šią versiją virusai kadaise galėjo būti ląstelių organizmai - pavyzdžiui, bakterijos. Šios bakterijos išmoko parazituoti kitose, didesnėse ląstelėse. Palaipsniui jie atsikratė visko nereikalingo, įskaitant savo „ląstelinę įrangą“- ir tokiu būdu virto virusais, kurie išsaugojo tik keletą genų ir „įrankių“, reikalingų infekcijai.
Šią hipotezę patvirtina istorinis precedentas. Kažkas panašaus nutiko ir su mitochondrijomis - „energijos stotimis“, kurios sudaro mūsų ląsteles. Kadaise jie buvo bakterijos, bet tada sudarė aljansą su didesnėmis ląstelėmis, prarado savarankiškumą ir šiandien yra neatsiejama jų dalis.
Kaip ir gyvybės kilmė, per amžius virusų istorija prarandama. Virusai neturi kaulų ar kriauklių, jie nepalieka fosilijų ar pėdsakų nuosėdinėse uolienose. Gali būti, kad virusai kelis kartus pasirodė nepriklausomai (galbūt skirtingais būdais). Beveik neabejotinai žinoma, kad visi gyvi organizmai kilo iš vienos ląstelės. Ar tai taikoma „pusiau gyviesiems“virusams, vis dar nežinoma.
Yra trečioji virusų kilmės versija, pagal kurią jie atsirado dar prieš pasirodant jų šeimininkams - ląstelėms. Remiantis šia versija, iš pradžių egzistavo savarankiškų reprodukcinių genetinių elementų virosfera. Kai kurie iš šių elementų įgijo ląstelės struktūrą ir galiausiai sukėlė visas tris gyvenimo sritis. Tačiau virusai pamažu perėjo prie parazitizmo ir toliau vystėsi lygiagrečiai su savo ląstelių šeimininkais.
Mįslė ketvirta: kodėl mums reikia miego?
Trečdalį savo gyvenimo praleidžiame sapne - ir tuo pačiu metu visiškai nesuprantame, kodėl. Mes ką nors žinome apie tai, kas vyksta sapne, ir iš dalies, kodėl sapnas gali pasirodyti. Tačiau mokslas dar negali atsakyti į klausimą, kodėl miegas yra toks būtinas.
Cirkadiniai ritmai apskritai ir ypač miegas akivaizdžiai yra susiję su Žemės sukimu aplink Saulę. Nepriklausomai nuo gyvūno savybių, beveik bet kuriam iš jų yra paros metas, kai saugiau nieko nedaryti, o tiesiog sėdėti ramiai ir neišlįsti. Gana logiška, kad miegas galėjo pasirodyti kaip būdas taupyti energiją šiuo „budėjimo režimu“. Kitos miego funkcijos, pavyzdžiui, atminties apdorojimas ir grūdinimas, greičiausiai šiame režime pasirodė kaip „priedai“.
Bet ši teorija niekaip nepaaiškina, kodėl miegas yra toks būtinas. Moksliškai patvirtintas tyčinio miego trūkumo (nenaudojant stimuliatorių) įrašas yra 11 dienų ir priklauso amerikiečiui Randy Gardner. Net toks ne toks įspūdingas įrašas gali baigtis katastrofa: 2012 m. Kinijos futbolo gerbėjas, visą naktį stebėjęs „Euro 2012“, mirė nuo panašios trukmės nemigos maratono. Ligos, pažeidžiančios miego mechanizmus, yra ypač pavojingos. Negydomas paveldimas sutrikimas, vadinamas mirtina šeimos nemiga, pats savaime kalba: atsiradus simptomams, pacientai negyvena net metus.
Smegenų sričių, kurios keičia veiklą po miego trūkumo, projekcijos. Žalia rodo aktyvumo sumažėjimą, raudona - padidėjimą
Nuotrauka: cercor.oxfordjournals.org
Ar yra gyvūnų, kurie nemiega? Šį klausimą uždavė Viskonsino universiteto mokslininkai iš Madisono. Įvertinę turimus duomenis, jie padarė išvadą: iki šiol nėra nė vieno aiškiai ir nedviprasmiškai įrodyto „miegančio“gyvūno atvejo. Tai neatmeta šios galimybės: autoriai pabrėžia, kad duomenų apie daugumos rūšių miegą yra labai mažai.
Nepaisant to, turimos informacijos pakanka gana nedviprasmiškam vaizdui: nei žmonės, nei žiurkės, nei net musės su tarakonais negali gyventi be miego. Viskas rodo, kad miegas yra ta pati universali gyvų daiktų savybė, kaip kvėpavimas ar paveldimumas. Bet jei pastarojo prasmė šiandien yra akivaizdi, tada mokslininkams teks daug prakaituoti dėl miego vaidmens.
Apie ką svajoja musė?
Naujosios technologijos žymiai pagerino mūsų gebėjimą tirti kitų rūšių miegą. Pavyzdžiui, šiuolaikinė įranga leidžia iš miegančio musės nufilmuoti ką nors panašaus į elektroencefalogramą … Praėjusiais metais atliktame tyrime Australijos Kvinslando universiteto tyrėjai parodė, kad musės ne tik miega, bet ir turi skirtingas miego fazes - kaip ir mes patys. Šios fazės skiriasi gyliu ir keičiasi naktį, o „gilaus miego“laikas pailgėja, jei musės labai pavargsta. Paprastai tariant, musių miegas yra toks panašus į mūsų, kad mokslininkai diskutuoja apie galingumą ir pagrindinį pagrindą vaisinių musių naudojimui naudoja kaip pavyzdį tiriant anomalijas, kurioms būdingi miego sutrikimai.
Nuotrauka: depositphotos.com/Tomatito
Mįslė penki: kas yra „aš“?
Paskutinė paslaptis, kurią suardo šiandieninė biologija, taip pat yra susijusi su nervine veikla, tačiau daug sudėtingesnė nei Drosophila miegas. Sąmonė yra toks sudėtingas ir sunkiai apibūdinamas procesas, kurį ilgą laiką žmogus arogantiškai apibrėžė kaip savo unikalią savybę.
Šiandien žmogaus sąmonės unikalumas yra filosofinis, o ne biologinis klausimas. Nekyla abejonių, kad žmogus pasiekė precedento neturinčias aukštumas plėtodamas savo intelektą. Bet ar yra kažkas kokybiškai naujo mūsų smegenų struktūroje ir darbe? Greičiausiai ne. Šunys turi emocijų, beždžionės gali suskaičiuoti, o delfinai netgi jaučia kalbos panašumą su gramatikos ir kultūriniais skirtumais skirtingose pasaulio vietose. Studijuodami gyvūnus, mes intuityviai suprantame, kad kai kurie iš jų bent jau nuotoliniu būdu suvokia savo egzistavimą. Bet mes vis dar nevisiškai suprantame, kas būtent slypi šiame supratime. Paprasčiau tariant, mes nežinome, kas yra sąmonė.
Nuotrauka: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Pastaraisiais metais neurobiologija pasiekė neregėtas aukštumas. Mes gerai suprantame, kaip veikia nervų ląstelės, kaip jos suaktyvinamos ar slopinamos ir kaip jos sąveikauja viena su kita. Mes žinome, kokie pasikeičia šių ląstelių sudėtis mokymosi ir atminties formavimo metu. Mes žinome, kurios smegenų dalys yra atsakingos už tą ar kitą elgesį.
Tačiau žinojimas, kad prefrontalinė žievė yra kažkaip susijusi su socialinėmis sąveikomis, o joje esantys neuronai bombarduoja vienas kitą specialiomis molekulėmis ir elektriniais laukais, visai nereiškia suprasti, kaip vienas pasijunta iš kito. Šiandien mokslininkai imasi pirmųjų bandymų imituoti paprasčiausių neuroninių tinklų veikimą: turimi duomenys gali vienareikšmiškai apibūdinti galbūt medūzų „sąmonę“. Mokslas dar nesugeba „nulaužti“žmogaus sąmonės, kad ir kiek to norėtų mokslinės fantastikos mėgėjai.