A modern biológiában csak öt fő rejtély van
Találj egyet: honnan származott az élet?
A biológia - a görög "élettudomány" fordításával - fogalma sincs, ahonnan a tanulmány tárgya származik. A helyzet nem egyedi - például a fizikusok sem értik nagyon jól, hogy pontosan hogyan alakult ki Planck állandója vagy a gravitációs erő. De valószínűleg csak a biológiában a „kezdetek kezdete” kérdése rendelkezik ilyen akut jelentéssel.
Theodosius Dobrzhansky, a szovjet eredetű amerikai genetikus azt mondta, hogy ennek a tudománynak semmi értelme, ha nem továbbadják az evolúció elméletén.
A biológiai tudomány a klasszikus, leíró tudományágakon alapul: állattan, botanika, mikrobiológia stb. És valahogy magától értetődik, hogy mindegyik kutatásának célja az evolúciós fa egyik vagy másik ágának a lehető legpontosabb tisztázása.
Ugyanakkor az elmúlt száz évben a biológia hatalmas része elágazott az eredeti, leíró tudománytól és összeolvadt az orvostudománygal, egyetlen orvosbiológiai ágot alkotva. Jellemzője más, analitikus megközelítés. A tudós nem csak az egeret írja le - új géneket olt be bele, és megfigyeli az eredményt. De miért érdekli annyira az egerek, majmok és gyümölcslegyek? A válasz egyszerű: az evolúció elméletének köszönhetően tudjuk, hogy az egér organizmusa alapvetően nem különbözik a saját munkánktól. Ennek eredményeként az analitikai biológiának sokkal gyakorlatibb előnyei vannak, mint a leíró biológiának.
Van azonban a biológia harmadik formája, amely manapság csak kezd megjelenni. A mai „analitikus” biológus módosítja az élő szervezetet, hogy megértse, hogyan működik. Holnap a semmiből fog szervezeteket létrehozni - ez a szintetikus biológia megközelítése.
Valójában a mechanizmusok felépítésének legbiztosabb módja az, ha saját maga készíti el azokat. A tudósok már ma képesek egy teljes csomóban szintetizálni a teljes genomot, és egy élő sejtben működésbe hozni őket. Ez a kísérlet egyértelmûen megmutatja, mely gének szükségesek az élet létezéséhez - ami azt jelenti, hogy példátlan lehetõségeket nyit meg azok módosítására, módosítására és az akaratunkra való alárendelésre. Az analitikai biológia felfedezéseit "fentről lefelé" végezzük: a szervezetet a lehető legalacsonyabb összetevőkre bontják. A szintetikus biológia viszont az alulról felfelé vizsgálja az élőlényeket: az egész szervezet a lehető legtöbb alapvető összetevőből áll.
Promóciós videó:
De hogyan kezdjük el az "élet szintetizálását", ha olyan keveset tudunk megérteni az élet eredetében? A fent említett példában egy mesterséges genommal a tudósok behelyezték egy élő sejtbe, ahonnan a saját DNS-ét eltávolították. Így az élőlények két fő alkotóeleme - a sejt és a benne lévő gének - a tudósok eddig csak egyet tudtak szintetizálni.
Az élet körülbelül 3,5–4 milliárd évvel ezelőtt jelent meg a Földön: geológiai szabványok szerint, szinte közvetlenül a bolygó kialakulása után, 4,5 milliárd évvel ezelőtt. A mai biológia bármilyen komoly "krónikája" azonban sokkal később kezdődik: addigra a sejtek már oxigént lélegeztek, szorgalmasan szintetizáltak több ezer fehérjét, ezek közül sokan régen egyesültek többsejtű organizmusokká, amelyek már tudták, hogyan kell párosodni, aktívan keresni ételt, sőt megjegyezni az információkat.
A szintetikus biológus számára alapvető jelentőséggel bír az evolúció legrégibb, az évszázadok során elveszett szakaszai, amelyek során megfogalmazták az élőlények szervezésének alapelveit. Miért állnak például a fehérjék kizárólag forgató aminosavakból? Ezen fehérjeláncok "gyöngyök" kémiai szerkezete olyan, hogy két tükrözött formában létezhetnek, úgynevezett bal és dextrotációs. Úgy tűnik, hogy ezeknek a molekuláknak a kémiai tulajdonságai nem különböznek egymástól: azonos atomokból állnak, azonos távolságra egymástól. Mindazonáltal minden élőlény kizárólag forgóváltó aminosavakat használ.
Van-e mély értelme ebben, vagy olyan baleset, amelyet az "eredeti" cellából örököltünk? Létrehozható egy "dextrototating protein"? Forgásirányú szervezet? Különbséget fognak mutatni más élőlényektől? Ezek a misztériumok közvetlenül kapcsolódnak az élet eredetéhez. A lista folytatódik: szükséges-e foszfor a DNS-ben? Lehetséges az élet sejt nélkül? Milyen vegyi anyagok szükségesek az önreplikációhoz? E kérdések mögött rejlő lehetőségek végtelenek.
Még ha az életet is az űrből hozták a Földre, amint sokan úgy gondolják, ez semmiképpen sem változtatja meg a jövő evolúciós - és szintetikus - biológiájának kérdéseit. Ha az élet nem jelenik meg a Földön, akkor hol, és ami a legfontosabb - hogyan? Valószínű, hogy ez a rejtély megoldatlan marad - bár senki sem tudja, mit hoz a holnap felfedezése.
A mai bolygón élő összes organizmus egy közös őstől származott. De ennek az ősnek már volt sejtje és minden alapvető alkotóeleme. A tudomány nem tud semmit az evolúció zsákutca ágairól, a közös ős megjelenése előtt, sem arról, hogy vannak-e párhuzamos "életfák".
Második rejtvény: honnan jöttünk?
Bármilyen formában jelent meg az élet a Földön, három és fél milliárd év után az evolúció a Homo sapiens - Homo sapiens faj közvetlen őseinek született.
Ennek az egyedülálló majomnak a származása sokkal jobban megérthető, mint a legtöbb más faj fejlődése. De nyilvánvaló okokból sokkal nagyobb figyelmet fordítunk a kérdésre, mint amikor más állatokra alkalmazzuk. Nem nagyon érdekli, hogy a molyok vagy papagájok ősei miként vándoroltak át a kontinenseken. De amikor a legközelebbi rokonokról van szó, akkor a világ körüli utazásuk és az egymással való interakció valódi történelmi nyomozóvá válik.
A közelmúltban a tudósok az emberiség teljes családját csontokra építették. A világ különböző részein található csontvázokat elemezték olyan jellemzők szempontjából, mint a fogak szerkezete és a koponya térfogata. Ezen adatok alapján a csontvázokat fajokra csoportosítottuk, és hasonlóságuk és különbségeik alapján elkészítették a képet a hülye majmokról, amik fokozatosan átalakultak okos emberekké, kezében egy pálcával.
Amint az utóbbi években világossá vált, egy ilyen képnek kevés köze van a valósághoz. A legközelebbi emberi ősök evolúciója nem egyes fajok egymást követő átalakulása másokká, hanem egy elágazó fa, sok zsákutca ágaval. Rendkívül nehéz lehet megérteni, hogy ezek az ágak hogyan kapcsolódnak egymáshoz. Ma a fosszilis maradványokból nyert DNS elemzésének legújabb technológiái segítenek ebben.
Például egy akciódús tudományos dráma tanúi vagyunk közvetlen őseink - a korai Homo sapiens - kapcsolatának az unokatestvéreikkel: Neanderthals és Denisovans.
A munkaerő teremtette az embert?
A 20. századig a régészet meglehetősen remegő tudomány volt, amely hajlandó volt minden emberi csontban látni az emberi nagyság bizonyítékait. A korai régészet vékony, de teljesen megalapozatlan hipotézisei közül az derül ki, hogy a szerszámok elsajátítása - a természetben állítólag példa nélküli jelenség - közvetlenül meghatározta az emberek megjelenését. Ennek a hipotézisnek a visszhangjait a Homo habilis faj nevében halljuk - egy jártas ember, akit korábban a Homo nemzetség ősi képviselőjének tartottak.
Ma nyilvánvaló, hogy az eszközök használata messze nem egyedülálló az emberek számára. Kövekkel és pálcákkal például az ősi majmok - a pantrópok - jól irányultak. A modern állatok, például hollók, delfinek, elefántok és természetesen sok főemlős is használ szerszámokat. A tudósok még mindig vitatkoznak arról, hogy mi tett az emberi őseket pontosan a lábukra, és hatalmas agyukat fejlesztették ki, de a "készség" túlzott romantizálása ma elavult.
Fotó: depositphotos.com/poeticpenguin
2010-ben a neandervölgyi genom dekódolt. A kapott adatok elemzése alapján arra a következtetésre jutott, hogy ez a faj, amelyet korábban függetlennek tekintettünk, valójában aktívan betelepült őseinkbe, és a genetikai információ 1-4% -át a modern európaiak DNS-ébe vitte.
Nem sokkal korábban - 2008-ban - felfedezték egy modern ember újabb "unokatestvéreit", egy denisovitát. Ő sem volt hajlandó legyőzni az "ésszerű" fiatal hölgyeket: Délkelet-Ázsia néhány régiójának mai lakosai DNS-jének 3 - 5% -a maradt el.
Egy ideje ennek a szerelmi háromszögnek egy meglehetősen karcsú képe sorakozott fel. Afrikában a Homo nemzetség három ága közös ősből származik. A neandervölgyiek Európába vándorolnak, Denisovanok Ázsiába vándorolnak. A harmadik ág Afrikában marad. Fokozatosan Homo sapiensré válik és sétálni megy a világ körül, nyugatra és keletre a megfelelő géneket felvetve az ott már élő "unokatestvérektől". A jövőben a Homo sapiens kiszorítja mind ezeket, mind az unokatestvéreit a Föld oldaláról (pontosan hogyan - egy másik fehér folt a történelemben), ám megőrzi mind a neandervölgyiek, mind a Denisovanok lenyomatait.
Az utóbbi időben azonban a lipcsei Evolúciós Antropológiai Intézet kutatóinak sikerült megfejteni az emberi evolúció mindhárom ágának közös őse genomjának egy részét. Annak ellenére, hogy ez az őse még nem volt neandervölgyi vagy Denisovan, maradványait Spanyolországban találták meg - az elfogadott kép alapján kiderült, hogy Afrikát el kell hagynia, és lépést kell tennie a "neandertalizáció" útjára.
A genetikai elemzés eredményei azonban megdöbbentőek voltak. A "spanyol" ember DNS-je sokkal közelebb került a Denisovan genomjához, amelynek egyáltalán nem kellett volna Európában lennie! Kiderül, hogy a Denisovanokkal és a Neandertálokkal fenntartott kapcsolataink teljes képe távolról sem vitathatatlan tény.
A leírt példa csak egyike a modern paleoantropológia számos nyitott kérdésének. Manapság csak a vallásos rajongók kételkednek abban, hogy az ember majomból származik-e. De mi történt pontosan az őseinkkel pár millió évvel, elválasztva a fákról történő leszállást és a rögzített történetet - nagyjából még mindig rejtély.
78 nukleotidszubsztitúciót azonosítottak, amelyek megkülönböztetik a modern embert a neandertalistól. Megjelöljük 5 gén funkcióját, amelyeket többszörös szubsztitúciók jellemeznek. Néhányan a bőrben és a hajban aktívak, és egyértelműen részt vesznek egy "emberi" megjelenés és látásfelismerés (CAN15) kialakításában. Mások nyilvánvalóan a személy mentális tulajdonságaival vannak kapcsolatban. Az egyik gén meghatározza a sperma aktivitását - valószínűleg a szexuális szelekció hatására alakult ki.
Harmadik rejtvény: mi a vírus?
Az emberek, sőt a legtöbb modern állat és növény esetében legalább egy nagyjából összekapcsolható az evolúciós ősekkel. A virológusok ezzel nem dicsekedhetnek. Valójában a tudomány még mindig nem érti, mi a vírus.
A helyzet az, hogy ezek a mikroszkópos acelluláris paraziták egyáltalán nem illenek az élő világ rendszerébe. Minden nekünk ismert élőlény sejtekből áll és származik. A vírus csak a sejtek segítségével létezik: szüksége van egy gazdaszervezetre, hogy reprodukálódjon. Ha minden sejt hirtelen eltűnik a bolygóról, akkor a vírusok értelmetlen fehérje- és DNS-buborékokká válnak, és képtelenek bármilyen biológiai funkcióra.
Hogyan létezett ilyen furcsa anyagforma? Két fő változat létezik.
Első változat: a vírusok kiszabaduló gének. Egy ilyen forgatókönyvet nem nehéz elképzelni. A genomunkban vannak olyan elemek, úgynevezett transzpozonok, amelyek kivághatják magukat a genom egyik részéből és beilleszthetik magukat egy másikba. Időnként ezek a "mobil gének" más DNS-darabokat is magukkal vetnek, amelyek a környéken vannak. Feltételezzük, hogy több milliárd évvel ezelőtt az egyik ilyen „mozgatható gén” véletlenül összeállt egy sorban a független létezéshez szükséges minimumkészlettel: bal oldalon például volt egy „másológép”, amelyre a DNS reprodukálásához szükség van, és jobb oldalon egy „penknife” amellyel bejuthat egy új cellába. Ettől a pillanattól kezdve a gén vírussá alakul, és elkülönülten kezdett fejlődni a szülő organizmustól.
Második verzió: a vírusok egyszerűsített sejtek. Manapság számos tudós hajlik erre a verzióra elsősorban a sejtek méretéhez hasonló óriás vírusok felfedezése miatt. E verzió szerint a vírusok egyszer lehetnek sejtes szervezetek - például baktériumok. Ezek a baktériumok megtanultak más, nagyobb sejtekre parazitálni. Fokozatosan megszabadultak minden feleslegetől, beleértve a saját "sejtkészülékeiket" - és így vírusokká váltak, amelyek csak néhány gént és "fertőzéshez szükséges" eszközt megtartottak.
Ezt a hipotézist a történelmi precedens alátámasztja. Valami hasonló történt a mitokondriumokkal - „energiaállomásokkal”, amelyek képezik sejtjeinket. Egyszer baktériumok voltak, de akkor szövetségbe léptek nagyobb sejtekkel, elvesztették függetlenségüket és ma ezek szerves részei.
Az élet eredetéhez hasonlóan a vírusok története elveszett az évszázadok során. A vírusoknak nincs csontja vagy héja, nem hagynak kövületeket vagy nyomokat az üledékes kőzetekben. Lehetséges, hogy a vírusok többször jelentkeztek egymástól függetlenül (valószínűleg különböző módon). Szinte biztosan ismert, hogy minden élő organizmus egy sejtből származik. Még ismeretlen, hogy ez vonatkozik-e a "félig élő" vírusokra.
Van egy harmadik verzió a vírusok eredetéről, amely szerint a vírusok még a gazdasejtük, sejtük megjelenése előtt merültek fel. E változat szerint az önszaporodó genetikai elemek viroszféra eredetileg létezett. Ezeknek az elemeknek egy része megszerezte a sejtszerkezetet, és végül az élet mindhárom doménjét létrehozta. A vírusok azonban fokozatosan áttértek a parazitizmusra, és sejtes gazdaszervezeteikkel párhuzamosan tovább fejlődtek.
Négy rejtvény: miért kell aludni?
Életünk egyharmadát álomban töltjük - és ugyanakkor egyáltalán nem értjük, miért. Tudunk valamit arról, hogy mi történik egy álomban, és részben miért jelenhet meg egy álom. De a tudomány még nem tudja megválaszolni azt a kérdést, hogy miért szükséges az alvás.
A cirkadián ritmusok általában és különösen az alvás nyilvánvalóan összefüggésben vannak a Föld forgásával a Nap körül. Bármi legyen is az állat jellegzetességei, szinte bármelyikük számára van olyan napszak, amikor biztonságosabb nem csinálni semmit, hanem csak csendben ülni, és nem szabadulni ki. Nagyon logikus, hogy az alvás az energiatakarékosság módjaként jelenhet meg ebben a "készenléti üzemmódban". Az alvó funkciók többi része - például a memória feldolgozása és megszilárdítása - valószínűleg "kiegészítőként" jelenik meg ebben az üzemmódban.
De ez az elmélet egyáltalán nem magyarázza meg, miért van szükség aludni. A szándékos alvásmentesség (stimulánsok használata nélkül) tudományosan dokumentált felvétele 11 nap, és az amerikai Randy Gardnerhez tartozik. Még egy ilyen lenyűgöző feljegyzés is katasztrófával zárulhat: 2012-ben egy kínai labdarúgó-rajongó, aki egész éjjel figyelt az Euro 2012-en, hasonló hosszúságú álmatlan maratonon halt meg. Az alvási mechanizmusokat károsító betegségek rendkívül veszélyesek. A végzetes családi álmatlanságnak nevezett gyógyíthatatlan örökletes rendellenesség önmagáért beszél: A tünetek megjelenése után a betegek még egy évet sem élnek.
Az agy azon területeinek előrejelzése, amelyek alvásmentesség után megváltoztatják az aktivitást. A zöld jelzi az aktivitás csökkenését, piros - a növekedést
Fotó: cercor.oxfordjournals.org
Vannak olyan állatok, amelyek nem alszanak? Ezt a kérdést a madisoni Wisconsini Egyetem tudósai tették fel. A rendelkezésre álló adatok átgondolása alapján arra a következtetésre jutottak: eddig egyetlen egyértelmű és egyértelműen bizonyított eset sem volt "alvó" állat létezésében. Ez nem zárja ki ezt a lehetőséget: a szerzők hangsúlyozzák, hogy a legtöbb faj esetében az alvással kapcsolatos adatok rendkívül ritkák.
Mindazonáltal a rendelkezésre álló információk elegendőek egy meglehetősen egyértelmű képhez: sem emberek, sem patkányok, sem pedig csótányos legyek nem élhetnek alvás nélkül. Minden azt jelzi, hogy az alvás ugyanolyan általános tulajdonsága az élő dolgoknak, mint a légzés vagy az öröklődés. De ha ez utóbbi jelentése manapság nyilvánvaló, akkor a tudósoknak sokat izzadniuk kell az alvás szerepe felett.
Miről álmodik egy légy?
Az új technológiák jelentősen fejlesztették képességünket más fajok alvásának tanulmányozására. Például a modern felszerelés lehetővé teszi, hogy valami hasonlót készítsen egy elektroencephalogramhoz … alvó légyről. Az ausztráliai Queenslandi Egyetem kutatói egy tavalyi tanulmányban kimutatták, hogy a legyek nemcsak alszanak, hanem különböző alvási fázisokkal is rendelkeznek - akárcsak mi. Ezek a fázisok mélységben változnak és éjszakánként váltakoznak, és a „mély alvás” ideje növekszik, ha a legyek nagyon fáradtak. Általánosságban elmondható, hogy a légy alvása annyira hasonlít a miénkhöz, hogy a tudósok az erővel tárgyalják, és a gyümölcslegyek használatát mutatják be mintának az alvászavarok által jellemzett rendellenességek tanulmányozására.
Fotó: depositphotos.com/Tomatito
Öt találat: mi az "én"?
Az utolsó rejtély, amelyet a mai biológia lebont, szintén az ideges aktivitással kapcsolatos, ám sokkal összetettebb, mint Drosophila alvása. A tudatosság olyan összetett és nehezen definiálható folyamat, hogy egy ember hosszú ideig arrogánsan határozta meg azt saját egyedi tulajdonságának.
Manapság az emberi tudat egyedisége inkább filozófiai, mint biológiai kérdés. Nem kétséges, hogy az ember intellektusának fejlődésében példátlan magasságot ért el. De van-e valami minőségileg új agyunk szerkezetében és munkájában? Valószínűleg nem. A kutyáknak vannak érzelmeik, a majmok számolhatnak, és a delfinek nyelve is hasonlít a nyelvtani és kulturális különbségekre a világ különböző részein. Az állatokat tanulmányozva intuitív módon megértjük, hogy néhányuk legalább távolról tisztában van saját létezésükkel. De még mindig nem értjük teljesen, mi pontosan mögött áll ez a tudatosság. Egyszerűen fogalmazva: nem tudjuk, mi a tudatosság.
Fotó: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Az elmúlt években a neurobiológia példátlan magasságot ért el. Jó ötletünk van arról, hogy az idegsejtek hogyan működnek, hogyan aktiválódnak vagy elnyomódnak, és hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással. Tudjuk, hogy ezek a sejtek összetétele milyen változásokon megy keresztül a tanulás és az emlékezet kialakulása során. Tudjuk, hogy az agy mely részei felelnek ennek vagy a viselkedésnek.
De tudva, hogy a prefrontalis kéreg valamilyen módon kapcsolódik a társadalmi interakciókhoz, és az abban lévő neuronok speciális molekulákkal és elektromos mezőkkel bombázzák egymást, egyáltalán nem jelenti azt, hogy megértsük, hogyan lehet az egyik a másiktól. Ma a tudósok a legegyszerűbb idegi hálózatok működésének szimulálására teszik az első kísérleteket: a meglévő adatok egyedileg leírhatják a valószínűleg a medúza "tudatát". A tudomány még nem képes „feltörni” az emberi tudatot, bármennyire is akarják a tudományos fantasztikus szerelmesek.