V modernej biológii existuje iba päť hlavných záhad
Riddle one: odkiaľ prišiel život?
Biológia - preložená z gréckej „vedy o živote“- nemá potuchy, odkiaľ predmet tejto štúdie pochádza. Situácia nie je ojedinelá - napríklad fyzici tiež veľmi dobre nechápu, ako presne vznikla Planckova konštanta alebo gravitačná sila. Ale iba v biológii majú otázky týkajúce sa „začiatku začiatkov“taký akútny význam.
Americký genetik sovietskeho pôvodu Theodosius Dobrzhansky povedal, že nič v tejto vede nemá zmysel, ak sa neprechádza teóriou evolúcie.
Biologická veda je založená na klasických, opisných disciplínach: zoológia, botanika, mikrobiológia atď. A nejako je samozrejmé, že účelom výskumu každej z nich je najpodrobnejšie objasnenie jednej alebo druhej vetvy vývojového stromu.
Zároveň sa za posledných sto rokov veľká časť biológie rozvetvila z pôvodnej opisnej vedy a zlúčila sa s medicínou, čím vytvorila jediné biomedicínske odvetvie. Vyznačuje sa odlišným prístupom, analytickým. Vedec nepopisuje myš iba - do nej naštepuje nové gény a pozoruje výsledok. Ale prečo nás toľko zaujíma o myši, opice a ovocné muchy? Odpoveď je jednoduchá: vďaka teórii evolúcie vieme, že práca organizmu myši sa v zásade nelíši od práce našej vlastnej. Výsledkom je, že analytická biológia má oveľa praktickejší úžitok ako opisná biológia.
Existuje však tretia forma biológie, ktorá sa v súčasnosti začína objavovať. Dnešný „analytický“biológ modifikuje živý organizmus tak, aby pochopil, ako to funguje. Zajtra na to vytvorí organizmy od nuly - toto je prístup syntetickej biológie.
Najistejším spôsobom, ako porozumieť štruktúre akéhokoľvek mechanizmu, je vybudovať ho sami. Už dnes sú vedci schopní syntetizovať celé genómy v skúmavke a prinútiť ich, aby pracovali v živej bunke. Tento experiment jednoznačne ukazuje, ktoré gény sú potrebné pre existenciu života - čo znamená, že otvára nebývalé príležitosti na ich modifikáciu, modifikáciu a podriadenie sa našej vôli. Objavy analytickej biológie sa robia „zhora nadol“: organizmus sa rozloží na čo najzákladnejšie zložky. Syntetická biológia na druhej strane skúma živé veci „zdola nahor“: celý organizmus sa skladá z čo najväčšieho počtu základných komponentov.
Propagačné video:
Ale ako začať „syntetizovať život“, ak je tak málo, že sa v jeho pôvode rozumie? V uvedenom príklade s umelým genómom ho vedci vložili do živej bunky, z ktorej sa odstránila jeho vlastná DNA. Vedcom sa tak doteraz podarilo syntetizovať iba jednu z dvoch hlavných zložiek živých vecí - bunky a génov, ktoré obsahuje.
Život sa na Zemi objavil asi pred 3,5 - 4 miliardami rokov: podľa geologických štandardov, takmer okamžite po vytvorení planéty pred 4,5 miliardami rokov. Ale akákoľvek vážna „kronika“dnešnej biológie sa začína oveľa neskôr: v tom čase bunky už dýchali kyslík, usilovne syntetizovali tisíce proteínov, mnohé z nich sa už dlho zjednotili do mnohobunkových organizmov, ktoré už vedeli, ako sa páriť, aktívne vyhľadávať jedlo a dokonca si zapamätať informácie.
Pre syntetického biológa sú najstaršie etapy evolúcie stratené v priebehu storočí zásadne dôležité, počas ktorých boli stanovené základné princípy organizácie živých vecí. Prečo sú napríklad proteíny zložené výlučne z ľavotočivých aminokyselín? Chemická štruktúra týchto „guľôčok“proteínových reťazcov je taká, že môžu existovať v dvoch zrkadlených formách, ktoré sa nazývajú ľavá a pravotočivá. Zdá sa, že chemické vlastnosti týchto molekúl sa nelíšia: pozostávajú z rovnakých atómov v rovnakých vzdialenostiach od seba. Všetky živé bytosti však používajú výlučne ľavotočivé aminokyseliny.
Je v tom hlboký význam alebo je to nehoda, ktorú sme zdedili z „pôvodnej“bunky? Je možné vytvoriť „pravotočivý proteín“? Dextrorotačný organizmus? Líšia sa od iných živých vecí? Tieto tajomstvá priamo súvisia s pôvodom života. Zoznam pokračuje: je v DNA potrebný fosfor? Je možný život bez bunky? Aké chemikálie sú potrebné na samoreprodukciu? Praktické možnosti týchto otázok sú nekonečné.
Aj keď bol život privedený na Zem z vesmíru, ako mnohí veria, nijako to nemení otázky, ktorým čelí evolučná - a syntetická - biológia budúcnosti. Ak sa život neobjavil na Zemi, potom kde a čo je najdôležitejšie - ako? Je pravdepodobné, že toto tajomstvo zostane nevyriešené - aj keď nikto nevie, aké objavy zajtra prinesie.
Všetky organizmy, ktoré dnes žijú na planéte, pochádzali od jedného spoločného predka. Tento predok však už vlastnil bunku a všetky jej základné komponenty. Veda nevie nič o slepých vetvách evolúcie pred objavením spoločného predka, ani o tom, či existovali iné, paralelné „stromy života“.
Riddle dva: odkiaľ sme prišli?
V akejkoľvek podobe sa život prvýkrát objavil na Zemi, po troch a pol miliardách rokov, evolúcia porodila priamych predkov druhu Homo sapiens - Homo sapiens.
Pôvod tejto jedinečnej opice je oveľa lepšie pochopiteľný ako vývoj väčšiny ostatných druhov. Ale zo zrejmých dôvodov je naša pozornosť na túto problematiku omnoho vyššia, ako keď sa uplatňuje na iné zvieratá. Nezaujíma nás to, ako sa predkovia hrabošov alebo jarabíc migrovali naprieč kontinentmi. Ale pokiaľ ide o našich najbližších príbuzných, ich cesty po svete a vzájomné vzťahy sa stávajú skutočným historickým detektívom.
Nedávno vedci postavili celú kosť ľudskej rasy na kostiach. Kostry nachádzajúce sa v rôznych častiach sveta sa analyzovali z hľadiska takých funkcií, ako je štruktúra zubov a objem lebky. Na základe týchto údajov boli kostry zoskupené do druhov a na základe ich podobností a rozdielov bol zostavený obraz postupnej premeny hlúpych opíc na inteligentných ľudí s palicou v rukách.
Ako sa ukázalo v posledných rokoch, takýto obraz nemá nič spoločné s realitou. Vývoj najbližších ľudských predkov nie je postupná transformácia niektorých druhov na iné, ale rozvetvený strom s mnohými slepými koncami. Môže byť veľmi ťažké pochopiť, ako sú tieto vetvy navzájom prepojené. V tom nám dnes pomáhajú najnovšie technológie na analýzu DNA získanej z fosílnych palív.
Napríklad sme svedkami akčnej vedeckej drámy o vzťahu našich priamych predkov - raných Homo sapiens - s ich bratrancami: neandertálcami a Denisovanmi.
Stvorila práca človeka?
Až do 20. storočia bola archeológia dosť neistá veda, ktorá mala v každej nájdenej kosti tendenciu vidieť dôkazy o ľudskej veľkosti. Medzi štíhlymi, ale úplne neopodstatnenými hypotézami včasnej archeológie vyniká myšlienka, že ovládnutie nástrojov - údajne bezprecedentný fenomén v prírode - priamo určovalo vzhľad ľudí. Ozveny tejto hypotézy sú počuť v mene druhu Homo habilis - zručný človek, ktorý bol predtým považovaný za najstaršieho predstaviteľa rodu Homo.
Dnes je zrejmé, že používanie nástrojov nie je pre človeka ani zďaleka jedinečné. Napríklad s kameňmi a palicami boli starodávne opice - panantropy dobre kontrolované. Moderné zvieratá, ako sú havrani, delfíny, slony a samozrejme mnoho primátov, tiež používajú nástroje. Vedci sa stále dohadujú o tom, čo presne prinútilo ľudských predkov stáť na nohách a rozvíjať obrovský mozog, ale nadmerná romantizácia „zručnosti“je dnes zastaraná.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
V roku 2010 bol neandertálsky genóm dekódovaný. Na základe analýzy získaných údajov sa dospelo k záveru, že tento druh, predtým považovaný za nezávislý, v skutočnosti aktívne krížil s našimi predkami a priniesol 1 až 4% genetickej informácie do DNA moderného Európana.
Krátko predtým - v roku 2008 - bol objavený ďalší „bratranec“moderného človeka, Denisovite. Ani on sa averzoval voči bití na „rozumné“mladé dámy: dnešní obyvatelia niektorých regiónov juhovýchodnej Ázie majú 3 - 5% svojej DNA.
Na nejaký čas sa usporiadal pomerne štíhly obraz tohto milostného trojuholníka. V Afrike pochádzajú tri vetvy rodu Homo od spoločného predka. Neandertálci migrujú do Európy, Denisovani do Ázie. Tretia pobočka zostáva v Afrike. Postupne sa zmenila na Homo sapiens a vydala sa na prechádzku po celom svete, „vyzdvihla“zodpovedajúce gény na západe a východe od „bratrancov“, ktorí tam už bývali. V budúcnosti Homo sapiens vytlačí tých, ako aj ostatných bratrancov z povrchu Zeme (presne ako - ďalší biely bod v histórii), ale zachováva „odtlačky“neandertálcov aj Denisovanov.
Nedávno sa však vedcom z Inštitútu pre evolučnú antropológiu v Lipsku podarilo rozlúštiť časť genómu spoločného predka všetkých troch odvetví ľudskej evolúcie. Napriek tomu, že tento predchodca ešte nebol neandertálskym alebo Denisovanom, jeho pozostatky sa našli v Španielsku - na základe prijatého obrázku sa ukázalo, že musel opustiť Afriku a vydať sa na cestu „neandertalizácie“.
Výsledky genetickej analýzy však boli šokujúce. DNA „španielskeho“muža sa ukázala oveľa bližšie ku genómu Denisovanu, ktorý nemal byť v Európe vôbec! Ukazuje sa, že celkový obraz našich vzťahov s Denisovanmi a neandertálcami nie je ani zďaleka nespochybniteľný.
Opísaný príklad je len jednou z mnohých otvorených otázok modernej paleoantropológie. Iba náboženskí fanatici dnes pochybujú o tom, že človek pochádza z opice. Ale to, čo sa presne stalo s našimi predkami pred pár miliónmi rokov, ktoré oddeľovali zostup od stromov a zaznamenanú históriu, je do značnej miery tajomstvom dodnes.
Bolo identifikovaných 78 substitúcií nukleotidov, ktoré odlišujú moderných ľudí od neandertálcov. Sú uvedené funkcie 5 génov, ktoré sú charakterizované viacnásobnými substitúciami. Niektoré z nich sú aktívne v pokožke a vlasoch a sú jasne zapojené do vytvárania „ľudského“vzhľadu a vizuálneho vnímania (CAN15). Iní, samozrejme, súvisia s mentálnymi charakteristikami človeka. Jeden z génov určuje aktivitu spermií - pravdepodobne sa vyvinul pod vplyvom sexuálneho výberu.
Hádanka tri: čo je vírus?
V prípade ľudí, a skutočne s väčšinou moderných zvierat a rastlín, je možné prinajmenšom zhruba spojiť s evolučnými predkami. Viroológovia sa toho nemôžu pochváliť. V skutočnosti veda stále nechápe, čo je vírus.
Faktom je, že tieto mikroskopické acelulárne parazity vôbec nezapadajú do systému živého sveta. Všetky živé veci, o ktorých vieme, pozostávajú a pochádzajú z buniek. Vírus tiež existuje iba pomocou buniek: na reprodukciu sa potrebuje hostiteľ. Keby všetky bunky náhle zmizli z planéty, potom by sa z vírusov stali bezvýznamné bubliny proteínov a DNA, ktoré by neboli schopné biologických funkcií.
Ako existovala taká zvláštna forma hmoty? Existujú dve hlavné verzie.
Prvá verzia: vírusy sú útek gény. Takýto scenár si nie je ťažké predstaviť. V našom genóme sú prvky nazývané transpozóny, ktoré sa môžu vystrihnúť z jednej časti genómu a vložiť sa do druhej. Niekedy tieto „mobilné gény“berú so sebou ďalšie kúsky DNA, ktoré sú v okolí. Predpokladá sa, že pred miliardami rokov jeden z týchto „mobilných génov“náhodne zostavil do jedného súboru minimálny súbor potrebný na nezávislú existenciu: napríklad naľavo bol „kopírovací stroj“potrebný na reprodukciu DNA a napravo - „vreckový nôž“s s ktorými by ste sa mohli dostať do novej bunky. Od tejto chvíle sa gén zmenil na vírus a začal sa vyvíjať oddelene od pôvodného organizmu.
Druhá verzia: vírusy sú zjednodušené bunky. Mnohí vedci sú dnes k tejto verzii naklonení predovšetkým kvôli objaveniu veľkého množstva obrovských vírusov porovnateľných s veľkosťou buniek. Podľa tejto verzie môžu byť vírusmi kedysi bunkové organizmy - napríklad baktérie. Tieto baktérie sa naučili parazitovať na iných väčších bunkách. Postupne sa zbavili všetkého zbytočného, vrátane svojho vlastného „bunkového vybavenia“- a tak sa zmenili na vírusy, ktoré si zachovali iba niekoľko génov a „nástroje“potrebné na infekciu.
Túto hypotézu podporujú historické precedensy. Niečo podobné sa stalo s mitochondriami - „energetickými stanicami“, ktoré tvoria naše bunky. Keď boli baktériami, ale potom vstúpili do aliancie s väčšími bunkami, stratili nezávislosť a dnes sú ich neoddeliteľnou súčasťou.
Rovnako ako u pôvodu života, história vírusov sa stráca v priebehu storočí. Vírusy nemajú kosti ani škrupiny, nezanechávajú fosílie alebo stopy v sedimentárnych horninách. Je možné, že vírusy sa objavili nezávisle (možno rôznymi spôsobmi) niekoľkokrát. Je takmer určite známe, že všetky živé organizmy pochádzajú z jednej bunky. Či sa to vzťahuje na „polo-živé“vírusy, stále nie je známe.
Existuje tretia verzia pôvodu vírusov, podľa ktorej vznikli ešte predtým, ako sa objavili ich hostitelia, bunky. Podľa tejto verzie pôvodne existovala viroféra samo sa množiacich genetických prvkov. Niektoré z týchto prvkov získali bunkovú štruktúru a nakoniec dali vznik všetkým trom doménam života. Vírusy sa však postupne presunuli do parazitizmu a vyvíjali sa paralelne s bunkovými hostiteľmi.
Riddle štyri: Prečo potrebujeme spať?
Tretinu nášho života trávime vo sne - a zároveň absolútne nechápeme prečo. Vieme niečo o tom, čo sa deje vo sne, a čiastočne o čom sa sen môže objaviť. Ale veda zatiaľ nemôže odpovedať na otázku, prečo je spánok taký potrebný.
Cirkadiánne rytmy všeobecne a najmä spánok sú zjavne spojené s rotáciou Zeme okolo Slnka. Nech už sú vlastnosti zvieraťa akékoľvek, pre takmer všetky z nich je čas, keď je bezpečnejšie nerobiť nič, len ticho sedieť a nevystrčiť. Je celkom logické, že v tomto „pohotovostnom režime“sa mohol spánok javiť ako spôsob šetrenia energie. Ostatné funkcie spánku - napríklad spracovanie a kalenie pamäte - sa v tomto režime pravdepodobne javili ako „doplnky“.
Táto teória však vôbec nevysvetľuje, prečo je spánok taký potrebný. Vedecky zdokumentovaný záznam o úmyselnej deprivácii spánku (bez použitia stimulantov) je 11 dní a patrí americkej Randy Gardner. Dokonca aj taký nesmierne pôsobivý rekord by mohol skončiť katastrofou: v roku 2012 zomrel čínsky futbalový fanúšik, ktorý sledoval Euro 2012 celú noc, z nespavého maratónu podobného trvania. Choroby, ktoré poškodzujú spánkové mechanizmy, sú mimoriadne nebezpečné. Nevyliečiteľná dedičná porucha s názvom Fatálna familiárna insomnia hovorí sama za seba: Po objavení sa príznakov pacienti nežijú ani rok.
Projekcie oblastí mozgu, ktoré menia aktivitu po deprivácii spánku. Zelená označuje zníženie aktivity, červená - zvýšenie
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Existujú zvieratá, ktoré nespia? Túto otázku položili vedci z Wisconsinskej univerzity v Madisone. Po zvážení dostupných údajov dospeli k záveru, že doteraz neexistuje jediný jasne a jednoznačne dokázaný prípad existencie „ospalého“zvieraťa. To nevylučuje túto možnosť: autori zdôrazňujú, že údaje o spánku u väčšiny druhov sú mimoriadne obmedzené.
Dostupné informácie sú však dostatočné pre dosť jednoznačný obraz: ľudia, ani potkany, ani muchy s švábmi nemôžu žiť bez spánku. Všetko naznačuje, že spánok je rovnakou univerzálnou vlastnosťou živých vecí ako dýchanie alebo dedičnosť. Ak je však tento význam zrejmý dnes, vedci sa budú musieť veľa potiť o úlohu spánku.
O čom moucha sníva?
Nové technológie významne rozšírili našu schopnosť študovať spánok u iných druhov. Napríklad moderné vybavenie vám umožňuje strieľať niečo podobné elektroencefalogramu … zo spiaceho mušky. V minuloročnej štúdii vedci z University of Queensland v Austrálii ukázali, že muchy mávajú nielen spánok, ale majú aj rôzne fázy spánku - rovnako ako my. Tieto fázy sa líšia v hĺbke a striedajú sa v noci, pričom čas „hlbokého spánku“sa zvyšuje, ak sú muchy veľmi unavené. Všeobecne možno povedať, že spánok je taký podobný ako ten náš, že vedci diskutujú s mocou a hlavné použitie ovocných mušiek ako modelu na štúdium abnormalít, ktoré sa vyznačujú poruchami spánku.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Riddle päť: čo je „ja“?
Posledné tajomstvo, že sa dnešná biológia rozpadá, tiež súvisí s nervovou aktivitou, ale oveľa zložitejšou ako spánok Drosophily. Vedomie je taký zložitý a ťažko definovateľný proces, ktorý ho človek po dlhú dobu arogantne definoval ako svoj vlastný jedinečný majetok.
Jedinečnosť ľudského vedomia je dnes skôr filozofickou než biologickou otázkou. Niet pochýb o tom, že človek dosiahol bezprecedentné výšky vo vývoji svojho intelektu. Je však v štruktúre a práci nášho mozgu niečo kvalitatívne nové? S najväčšou pravdepodobnosťou nie. Psy majú emócie, opice môžu počítať a delfíny dokonca majú zdanie jazyka s gramatickými a kultúrnymi rozdielmi v rôznych častiach sveta. Pri štúdiu zvierat intuitívne chápeme, že niektoré z nich si minimálne uvedomujú svoju vlastnú existenciu. Stále však stále úplne nechápeme, čo presne za týmto vedomím stojí. Jednoducho povedané, nevieme, čo je vedomie.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
V posledných rokoch neurobiológia dosiahla bezprecedentné výšky. Máme dobrú predstavu o tom, ako fungujú nervové bunky, ako sú aktivované alebo potlačené a ako spolu interagujú. Vieme, aké zmeny v zložení týchto buniek počas učenia a formovania pamäte. Vieme, ktoré časti mozgu sú zodpovedné za toto alebo také správanie.
Ale vedieť, že prefrontálna kôra je nejakým spôsobom spojená so sociálnymi interakciami a neuróny v nej bombardujú navzájom špeciálne molekuly a elektrické polia, vôbec neznamená pochopiť, ako sa jeden dostane od druhého. Vedci dnes robia prvé pokusy simulovať fungovanie najjednoduchších neurónových sietí: existujúce údaje dokážu jedinečne opísať „vedomie“medúzy. Veda zatiaľ nie je schopná „preniknúť“do ľudského vedomia, bez ohľadu na to, koľko to milovníci sci-fi požadujú.