Det finns bara fem stora mysterier inom modern biologi
Gåta ett: var kom livet ifrån?
Biologi - översatt från den grekiska "livsvetenskapen" - har ingen aning om var ämnet för studien kommer från. Situationen är inte unik - till exempel fysiker förstår inte heller så bra hur exakt Plancks konstant eller tyngdkraften uppstod. Men bara inom biologi har kanske frågor om "början av början" en så akut betydelse.
Den amerikanska genetikern av sovjetiskt ursprung Theodosius Dobrzhansky sa att ingenting i denna vetenskap är meningsfullt om det inte går igenom evolutionsteorin.
Biologisk vetenskap bygger på de klassiska, beskrivande disciplinerna: zoologi, botanik, mikrobiologi, etc. Och på något sätt säger det sig självt att syftet med forskningen för var och en av dem är den mest detaljerade förtydligandet av en eller annan gren av det evolutionära trädet.
Samtidigt, under de senaste hundra åren, har en enorm del av biologin förgrenats från den ursprungliga, beskrivande vetenskapen och släppts samman med medicin och bildat en enda biomedicinsk gren. Det kännetecknas av ett annorlunda synsätt, analytiskt. Forskaren beskriver inte bara musen - han transplanterar nya gener i den och observerar resultatet. Men varför är vi så intresserade av möss, apor och fruktflugor? Svaret är enkelt: tack vare evolutionsteorin vet vi att musorganismens arbete i grunden inte skiljer sig från vårt eget arbete. Som ett resultat har analytisk biologi mycket mer praktiska fördelar än beskrivande biologi.
Men det finns en tredje form av biologi, som just börjar dyka upp i dag. Dagens "analytiska" biolog ändrar en levande organism för att förstå hur den fungerar. I morgon kommer han att skapa organismer från grunden för detta - det här är syntetisk biologi.
Det säkraste sättet att förstå strukturen för någon mekanism är faktiskt att bygga den själv. Redan idag kan forskare syntetisera hela genom i ett provrör och få dem att arbeta i en levande cell. Detta experiment visar entydigt vilka gener som är nödvändiga för livets existens - vilket innebär att det öppnar enastående möjligheter för deras modifiering, modifiering och underkastelse av vår vilja. Upptäckterna av analytisk biologi görs "från topp till botten": organismen sönderdelas till så grundläggande komponenter som möjligt. Syntetisk biologi, däremot, undersöker levande saker "nerifrån och upp": hela organismen består av så många grundläggande komponenter som möjligt.
Kampanjvideo:
Men hur man börjar "syntetisera livet" om det finns så lite som förstås i livets ursprung? I det ovannämnda exemplet med ett artificiellt genom införde forskare den i en levande cell, från vilken dess eget DNA togs bort. Således har forskare hittills lyckats syntetisera en av de två huvudkomponenterna i levande saker - cellen och generna den innehåller.
Livet dök upp på jorden för cirka 3,5 - 4 miljarder år sedan: enligt geologiska standarder, nästan omedelbart efter planets bildning för 4,5 miljarder år sedan. Men all allvarlig "kronik" av dagens biologi börjar mycket senare: Vid den tiden andades celler redan syre, syntetiserade noggrant tusentals proteiner, många av dem har länge förenats till flercelliga organismer som redan visste hur de skulle para sig, aktivt söka mat och till och med memorera information.
För en syntetisk biolog är de mest forntida utvecklingsstadierna, förlorade i århundraden, av grundläggande betydelse, under vilka de grundläggande principerna för att organisera levande saker lades. Varför till exempel består proteiner uteslutande av levorotatoriska aminosyror? Den kemiska strukturen hos dessa "pärlor" av proteinkedjor är sådan att de kan existera i två speglade former, kallade vänster och dextrorotatory. Det verkar som om de kemiska egenskaperna hos dessa molekyler inte skiljer sig åt: de består av samma atomer på samma avstånd från varandra. Ändå använder alla levande saker enbart levorotatoriska aminosyror.
Finns det en djup mening i detta, eller är det en olycka som vi ärvde från den "ursprungliga" cellen? Är det möjligt att skapa ett "dextrorotatory protein"? En dextrorotatory organism? Kommer de att skilja sig från andra levande saker? Dessa mysterier är direkt relaterade till livets ursprung. Listan fortsätter: krävs fosfor i DNA? Är livet möjligt utan en cell? Vilka kemikalier behövs för självreplikation? De praktiska möjligheterna bakom dessa frågor är oändliga.
Även om livet fördes till jorden från rymden, som många tror, förändrar detta inte på något sätt de frågor som står inför framtidens evolutionära och syntetiska biologi. Om livet inte dök upp på jorden, var, och viktigast av allt - hur? Det är troligt att detta mysterium kommer att förbli olöst - även om ingen vet vilka upptäckter i morgon kommer att ge.
Alla organismer som lever på planeten i dag härstammade från en gemensam förfader. Men denna förfader hade redan en cell och alla dess grundläggande komponenter. Vetenskapen vet ingenting om evolutionsgrenarna innan evolusionen av en gemensam förfader, eller om det fanns andra, parallella "livsträd."
Gåta två: var kom vi ifrån?
I vilken form som helst liv dök upp på jorden, efter tre och en halv miljard år, födde evolutionen de direkta förfäderna till arten Homo sapiens - Homo sapiens.
Ursprunget till denna unika apa förstås mycket bättre än utvecklingen för de flesta andra arter. Men av uppenbara skäl är vår uppmärksamhet på frågan mycket högre än när den appliceras på andra djur. Vi är inte särskilt intresserade av hur förfäderna till voles eller pattridges migrerade över kontinenterna. Men när det gäller våra närmaste släktingar, deras resor runt om i världen och interaktion med varandra förvandlas till en verklig historisk detektiv.
På senare tid har forskare byggt hela släktforskningen över mänskligheten på ben. Skelett som finns i olika delar av världen analyserades för sådana funktioner som tändernas struktur och skalens volym. Baserat på dessa data grupperades skeletten i arter, och baserat på deras likheter och skillnader byggdes en bild av den gradvisa omvandlingen av dumma apor till smarta människor med en pinne i händerna.
Som det blev tydligt under de senaste åren har en sådan bild lite med verkligheten att göra. Utvecklingen av de närmaste mänskliga förfäderna är inte en sekventiell omvandling av vissa arter till andra, utan ett grenat träd med många återvändsgrenar. Det kan vara extremt svårt att förstå hur dessa grenar är kopplade till varandra. Idag hjälper de senaste teknologierna för analys av DNA som erhållits från fossila rester oss i detta.
Vi bevittnar till exempel ett handlingsfullt vetenskapligt drama om förhållandet mellan våra direkta förfäder - tidiga Homo sapiens - med deras kusiner: neandertalar och Denisovans.
Skapade arbetet människan?
Fram till 1900-talet var arkeologin en ganska skakig vetenskap, som var benägen att se bevis på mänsklig storhet i varje hittat ben. Bland de smala, men helt ogrundade hypoteserna om tidig arkeologi framträder idén att behärskningen av verktyg - ett påstått enastående fenomen i naturen - direkt bestämde människors utseende. Ekon av denna hypotes hörs i namnet på arten Homo habilis - en skicklig person som tidigare ansågs vara den äldsta representanten för släktet Homo.
Det är tydligt idag att användningen av verktyg är långt ifrån unik för människor. Med stenar och pinnar, till exempel, var de gamla aporna - pananthropes, välkontrollerade. Moderna djur, som ravnar, delfiner, elefanter och naturligtvis många primater använder också verktyg. Forskare argumenterar fortfarande om vad exakt fick mänskliga förfäder att stå på sina fötter och utveckla en enorm hjärna, men den överdrivna romantiseringen av "skicklighet" är föråldrad idag.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
2010 avkodades Neandertalgenomet. Baserat på analysen av de erhållna uppgifterna drogs slutsatsen att denna art, som tidigare ansågs oberoende, faktiskt aktivt blandades med våra förfäder och förde från 1 till 4% av genetisk information till DNA för en modern europeisk.
Inte långt innan det - 2008 - upptäcktes ytterligare en "kusin" av en modern man, en Denisovite. Han var inte heller avsky mot att slå på de "rimliga" unga damerna: dagens invånare i vissa regioner i Sydostasien har 3 - 5% av hans DNA kvar.
Under en tid rad en ganska smal bild av denna kärlekstriangel. I Afrika kommer tre grenar av släktet Homo från en gemensam förfader. Neandertalar migrerar till Europa, Denisovans till Asien. En tredje gren finns kvar i Afrika. Hon förvandlas gradvis till en Homo sapiens och går en promenad runt om i världen och "plockar upp" motsvarande gener i väster och öster från "kusinerna" som redan bor där. I framtiden förskjuter Homo sapiens både dessa och andra kusiner från jordens ansikte (exakt hur - en annan vit fläck i historien), men behåller "avtryck" från både neandertalarna och Denisovans.
Men nyligen har forskare från Institute for Evolutionary Anthropology i Leipzig lyckats med att dechiffrera en del av genomet till den gemensamma förfäder till alla tre grenar av mänsklig evolution. Trots det faktum att denna förfader ännu inte var Neanderthal eller Denisovan, hittades hans rester i Spanien - baserat på den accepterade bilden visade det sig att han var tvungen att lämna Afrika och satte foten på vägen för "neandertalisering".
De genetiska analysresultaten var dock chockerande. DNA från den "spanska" mannen visade sig vara mycket närmare genomet till Denisovan, vilket inte borde ha varit i Europa alls! Det visar sig att hela bilden av våra förbindelser med Denisovanerna och neandertalarna är långt ifrån ett obestridligt faktum.
Det beskrivna exemplet är bara en av de många öppna frågorna i modern paleoanropologi. Endast religiösa fanatiker i dag tvivlar på att mannen härstammade från en apa. Men vad som exakt hände med våra förfäder ett par miljoner år, som skiljer nedstigningen från träden och den registrerade historien - i stort sett är ett mysterium fortfarande.
78 nukleotidsubstitutioner har identifierats som skiljer moderna människor från neandertalarna. Funktionerna hos 5 gener som kännetecknas av flera substitutioner indikeras. Vissa av dem är aktiva i hud och hår och är tydligt involverade i skapandet av ett "mänskligt" utseende och visuell uppfattning (CAN15). Andra är uppenbarligen förknippade med en persons mentala egenskaper. En av generna bestämmer spermiernas aktivitet - förmodligen utvecklades den under påverkan av sexuell selektion.
Gåta tre: vad är ett virus?
När det gäller människor, och faktiskt med de flesta moderna djur och växter, kan man åtminstone grovt få en koppling till evolutionära förfäder. Virologer kan inte skryta med detta. Faktum är att vetenskapen fortfarande inte förstår vad ett virus är.
Faktum är att dessa mikroskopiska acellulära parasiter alls inte passar in i den levande världen. Alla levande saker som vi känner består och kommer från celler. Viruset existerar också endast med hjälp av celler: det behöver en värd för att reproducera sig själv. Om alla celler plötsligt försvann från planeten, skulle virus omvandlas till meningslösa bubblor av proteiner och DNA, omöjliga för biologiska funktioner.
Hur fanns en så konstig form av materia? Det finns två huvudversioner.
Första versionen: virus är rasa gener. Ett sådant scenario är inte svårt att föreställa sig. Det finns element i vårt genom som kallas transposoner som kan skära sig ur en del av genomet och sätta in sig i en annan. Ibland tar dessa "mobila gener" med sig andra delar av DNA som finns i grannskapet. Det antas att för miljarder år sedan, en av dessa "mobila gener" av misstag samlades i en uppsättning den minsta uppsättning som krävs för oberoende existens: till vänster fanns det till exempel en "kopieringsmaskin" som behövs för att reproducera DNA, och till höger - en "penkniv" med som du kan komma in i en ny cell. Från det ögonblicket förvandlade genen till ett virus och började utvecklas separat från moderorganismen.
Andra versionen: virus är förenklade celler. Ett antal forskare idag är benägna att denna version främst på grund av upptäckten av ett antal jättevirus som är jämförbara i storlek med celler. Enligt denna version kan virus en gång ha varit cellulära organismer - till exempel bakterier. Dessa bakterier har lärt sig parasitera på andra, större celler. Gradvis blev de av med allt onödigt, inklusive sin egen "mobilutrustning" - och förvandlades därmed till virus som bara behöll några få gener och "verktyg" som behövs för infektion.
Den här hypotesen stöds av historiskt prejudikat. Något liknande hände med mitokondrier - "energistationer" som utgör våra celler. En gång var de bakterier, men sedan ingick de en allians med större celler, förlorade sin oberoende och idag är de en integrerad del av dem.
Liksom med livets ursprung, försvinner historiens historia genom århundradena. Virus har inte ben eller skal, de lämnar inte fossil eller spår i sedimentära stenar. Det är möjligt att virus förekom oberoende (möjligen på olika sätt) flera gånger. Det är nästan säkert känt att alla levande organismer härstammar från en cell. Huruvida detta gäller "semi-live" -virus är fortfarande okänt.
Det finns en tredje version av ursprunget till virus, enligt vilket de uppstod redan innan deras värdar, celler, dök upp. Enligt denna version fanns ursprungligen virosfären av självreproducerande genetiska element. Vissa av dessa element förvärvade en cellstruktur och gav slutligen upphov till alla tre livsområden. Virus rörde sig dock gradvis till parasitism och fortsatte att utvecklas parallellt med sina cellvärdar.
Gåta fyra: varför behöver vi sova?
Vi tillbringar en tredjedel av våra liv i en dröm - och samtidigt förstår vi absolut inte varför. Vi vet något om vad som händer i en dröm, och delvis varför en dröm skulle kunna dyka upp. Men vetenskapen kan ännu inte svara på frågan om varför sömn är så nödvändig.
Cirkadiska rytmer i allmänhet och sömn i synnerhet är naturligtvis förknippade med jordens rotation runt solen. Oavsett djurets egenskaper, för nästan alla av dem finns det en tid på dagen då det är säkrare att inte göra någonting, utan bara sitta tyst och inte sticker ut. Det är helt logiskt att sömnen kunde ha verkat som ett sätt att spara energi i detta "standby-läge". Resten av sömnfunktionerna - till exempel bearbetning och härdningsminne - verkade troligen som "tillägg" i det här läget.
Men denna teori förklarar inte alls varför sömn är så nödvändig. Den vetenskapligt dokumenterade posten för avsiktlig sömnberövning (utan användning av stimulanser) är 11 dagar och tillhör amerikanen Randy Gardner. Till och med ett sådant inte så imponerande rekord kan sluta i en katastrof: 2012 dog en kinesisk fotbollsfan som tittade på Euro 2012 hela natten genom en sömnlös maraton av liknande varaktighet. Sjukdomar som skadar sömnmekanismer är extremt farliga. En obotlig ärftlig sjukdom som kallas Fatal Familial Insomnia talar för sig själv: Efter symptomens uppkomst lever patienterna inte ens ett år.
Prognoser av hjärnområden som ändrar aktivitet efter sömnbrist. Grönt indikerar en minskning av aktiviteten, röd - en ökning
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Finns det djur som inte sover? Denna fråga ställdes av forskare från University of Wisconsin i Madison. Efter att ha övervägt de tillgängliga uppgifterna drog de slutsatsen att det inte finns ett enda tydligt och otvetydigt bevis på förekomsten av ett "sömnigt" djur hittills. Detta utesluter inte denna möjlighet: författarna betonar att data om sömn för de flesta arter är extremt knappa.
Den tillgängliga informationen är dock tillräcklig för en ganska otvetydig bild: varken människor, inte råttor, eller ens flugor med kackerlackor kan leva utan sömn. Allt tyder på att sömn är samma universella egenskap som levande saker som andas eller ärftlighet. Men om betydelsen av det senare är uppenbart idag, måste forskare svettas mycket över rollen som sömn.
Vad drömmer en fluga om?
Ny teknik har avsevärt avancerat vår förmåga att studera sömn hos andra arter. Till exempel tillåter modern utrustning du att skjuta något som liknar ett elektroencefalogram … från en sovande fluga. I en studie förra året visade forskare vid University of Queensland i Australien att flugorna inte bara sover utan också har olika sömnfaser - precis som oss själva. Dessa faser varierar i djup och växlar om natten, med "djup sömn" -tiden ökar om flugorna blir mycket trötta. Generellt sett är fluesömn så lik vår som forskare diskuterar med makt och främst användningen av fruktflugor som en modell för att studera avvikelser som kännetecknas av sömnstörningar.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Gåta fem: vad är "jag"?
Det sista mysteriet som dagens biologi bryter ned är också förknippat med nervaktivitet, men mycket mer komplexa än Drosophilas sömn. Medvetande är en så komplex och svår att definiera process att under en lång tid arrogant definierade den som sin egen unika egenskap.
Idag är det unika med mänskliga medvetandet en filosofisk snarare än biologisk fråga. Det råder ingen tvekan om att en person har nått enastående höjder i utvecklingen av sitt intellekt. Men finns det något kvalitativt nytt i strukturen och arbetet i vår hjärna? Troligen inte. Hundar har känslor, apor kan räkna och delfiner har till och med en sans för språk med grammatik och kulturella skillnader i olika delar av världen. När vi studerar djur förstår vi intuitivt att vissa av dem åtminstone är medvetna om sin egen existens. Men vi förstår fortfarande inte helt vad som ligger bakom denna medvetenhet. Enkelt uttryckt, vi vet inte vad medvetande är.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Under de senaste åren har neurobiologi nått enastående höjder. Vi har en bra uppfattning om hur nervceller fungerar, hur de aktiveras eller undertrycks och hur de interagerar med varandra. Vi vet vilka förändringar i sammansättningen av dessa celler under inlärning och minnesbildning. Vi vet vilka delar av hjärnan som är ansvariga för detta eller det beteendet.
Men att veta att den prefrontala cortex på något sätt är kopplad till sociala interaktioner, och nervcellerna i den bombarderar varandra med speciella molekyler och elektriska fält, betyder inte alls att man förstår hur den ena får från den andra. Idag gör forskare de allra första försöken att simulera driften av de enklaste neurala nätverken: befintliga data kan på ett unikt sätt beskriva "medvetandet" för kanske maneter. Vetenskapen kan ännu inte "hacka" det mänskliga medvetandet, oavsett hur mycket science fictionälskare vill ha det.
