В съвременната биология има само пет основни мистерии
Загадка: откъде се е появил животът?
Биологията - в превод от гръцката „наука за живота“- няма представа откъде идва обектът на нейното изследване. Ситуацията не е уникална - физиците например също не разбират много добре как точно е възникнала константата на Планк или силата на гравитацията. Но само в биологията, може би, въпросите за „началото на началото“имат толкова остро значение.
Американският генетик от съветски произход Теодосий Добржански каза, че нищо в тази наука няма смисъл, ако не се премине през теорията на еволюцията.
Биологичната наука се основава на класическите, описателни дисциплини: зоология, ботаника, микробиология и др. И някак си се разбира, че целта на изследването на всеки от тях е най-подробното изясняване на една или друга клона на еволюционното дърво.
В същото време през последните сто години огромна част от биологията се отклони от оригиналната, описателна наука и се слива с медицината, образувайки един-единствен биомедицински клон. Характеризира се с различен подход, аналитичен. Ученият не просто описва мишката - той присажда нови гени в нея и наблюдава резултата. Но защо толкова се интересуваме от мишки, маймуни и плодови мухи? Отговорът е прост: благодарение на теорията за еволюцията ние знаем, че работата на мишкия организъм по същество не се различава от нашата собствена работа. В резултат на това аналитичната биология има много повече практически ползи от описателната биология.
Но има трета форма на биология, която едва сега започва да се появява. Днешният „аналитичен“биолог модифицира жив организъм, за да разбере как работи. Утре той ще създаде организми от нулата за това - това е подходът на синтетичната биология.
Всъщност най-сигурният начин да разберете структурата на всеки механизъм е да го изградите сами. Още днес учените са в състояние да синтезират цели геноми в епруветка и да ги накарат да работят в жива клетка. Този експеримент недвусмислено показва кои гени са необходими за съществуването на живота - което означава, че той отваря безпрецедентни възможности за тяхното изменение, изменение и подчиняване на нашата воля. Откритията на аналитичната биология се правят "отгоре надолу": организмът се разлага на възможно най-основни компоненти. Синтетичната биология, от друга страна, изследва живите същества „отдолу нагоре“: целият организъм е съставен от възможно най-много основни компоненти.
Промоционално видео:
Но как да започнем да "синтезираме живота", ако има толкова малко, което се разбира в произхода на живота? В гореспоменатия пример с изкуствен геном учените го вмъкнаха в жива клетка, от която беше отстранена собствената му ДНК. Така от двата основни компонента на живите същества - клетката и гените, които съдържа - учените досега успяват да синтезират само един.
Животът се е появил на Земята преди около 3,5 - 4 милиарда години: по геоложки стандарти, почти веднага след формирането на планетата преди 4,5 милиарда години. Но всяка сериозна „хроника” на днешната биология започва много по-късно: по това време клетките вече дишаха кислород, усърдно синтезираха хиляди протеини, много от тях отдавна са обединени в многоклетъчни организми, които вече знаеха как да се чифтосват, активно търсят храна и дори запаметяват информация.
За синтетичния биолог най-древните етапи на еволюцията, изгубени от векове, са от основно значение, по време на които са положени основните принципи на организиране на живите същества. Защо, например, са протеини, съставени изключително от леворутаторни аминокиселини? Химическата структура на тези "топчета" на протеинови вериги е такава, че те могат да съществуват в две огледални форми, наречени лява и декстроротаторна. Изглежда химичните свойства на тези молекули не се различават: те се състоят от едни и същи атоми на еднакви разстояния една от друга. Независимо от това, всички живи същества използват изключително леворотаторни аминокиселини.
Има ли дълбок смисъл в това или е случайност, която наследихме от „оригиналната“клетка? Възможно ли е да се създаде "декстротаторен протеин"? Декстроротаторен организъм? Ще се различават ли от другите живи същества? Тези мистерии са пряко свързани с произхода на живота. Списъкът продължава: необходим ли е фосфор в ДНК? Възможен ли е животът без клетка? Какви химикали са необходими за самовъзпроизвеждане? Практическите възможности зад тези въпроси са безкрайни.
Дори ако животът е донесен на Земята от Космоса, както мнозина смятат, това по никакъв начин не променя въпросите, пред които е изправена еволюционната - и синтетичната - биология на бъдещето. Ако животът не се е появил на Земята, тогава къде и най-важното - как? Вероятно тази мистерия ще остане неразкрита - въпреки че никой не знае какво ще донесат утрешните открития.
Всички организми, живеещи на планетата днес, произхождат от един общ предшественик. Но този прародител вече притежаваше клетка и всички нейни основни компоненти. Науката не знае нищо за задънените клони на еволюцията преди появата на общ прародител или за това дали е имало други, паралелни „дървета на живота“.
Загадка втора: откъде дойдохме?
Под каквато и да е форма животът за пръв път се е появил на Земята, след три и половина милиарда години, еволюцията ражда преките предци на вида Homo sapiens - Homo sapiens.
Произходът на тази уникална маймуна се разбира много по-добре от еволюцията на повечето други видове. Но по очевидни причини нашето внимание към въпроса е много по-високо, отколкото когато се прилага към други животни. Не ни е много интересно как предците на полевки или яребици са мигрирали из континентите. Но когато става дума за най-близките ни роднини, пътуванията им по света и взаимодействията помежду си се превръщат в истински исторически детектив.
Съвсем наскоро учените са изградили цялата родословие на човешката раса върху костите. Скелетите, открити в различни части на света, бяха анализирани за такива характеристики като структурата на зъбите и обема на черепа. Въз основа на тези данни скелетите бяха групирани във видове и въз основа на техните прилики и различия беше изградена картина на постепенното превръщане на глупавите маймуни в умни хора с пръчка в ръце.
Както стана ясно през последните години, подобна картина няма много общо с реалността. Еволюцията на най-близките човешки предци не е последователна трансформация на някои видове в други, а разклонено дърво с много клонове в задния край. Може да бъде изключително трудно да се разбере как тези клонове са свързани помежду си. Днес най-новите технологии за анализ на ДНК, получени от изкопаеми остават да ни помогнат в това.
Например, сме свидетели на екшън научна драма за връзката на нашите преки предци - ранните Homo sapiens - с техните братовчеди: неандерталци и денисованци.
Трудът създаде ли човек?
До 20-ти век археологията беше доста трепереща наука, склонна да вижда доказателства за човешкото величие във всяка намерена кост. Сред стройните, но напълно неоснователни хипотези на ранната археология се откроява идеята, че овладяването на инструментите - уж безпрецедентно явление в природата - пряко определя появата на хората. Отзвуци от тази хипотеза се чуват в името на вида Homo habilis - умел човек, който преди се е считал за най-древния представител на рода Homo.
Днес е очевидно, че използването на инструменти далеч не е уникално за хората. С камъни и пръчки, например, древните маймуни - панантропи, били добре контролирани. Съвременните животни, като гарвани, делфини, слонове и, разбира се, много примати, също използват инструменти. Учените все още спорят какво точно е накарало човешките предци да застанат на краката си и да развият огромен мозък, но прекомерната романтизация на „умението“днес е остаряла.
Снимка: depositphotos.com/poeticpenguin
През 2010 г. геномът на неандерталеца е декодиран. Въз основа на анализа на получените данни се стигна до заключението, че този вид, считан по-рано за независим, всъщност активно се намесва с нашите предци и пренася от 1 до 4% от генетичната информация в ДНК на съвременен европеец.
Не много преди това - през 2008 г. - е открит друг „братовчед“на модерен човек, денисовец. Той също не беше против да се удари по "разумните" млади дами: днешните жители на някои региони на Югоизточна Азия са останали 3 - 5% от неговото ДНК.
От известно време се облича доста стройна картина на този любовен триъгълник. В Африка три клона от рода Homo възникват от общ прародител. Неандерталците мигрират в Европа, денисовчани в Азия. Трети клон остава в Африка. Постепенно тя се превръща в Homo sapiens и тръгва да се разхожда по света, „прибирайки“съответните гени на запад и на изток от „братовчедите“, които вече живеят там. В бъдеще Homo sapiens измества както тези, така и другите братовчеди от лицето на Земята (точно как - още едно бяло петно в историята), но запазва „отпечатъците“както на неандерталците, така и на денизованците.
Съвсем наскоро обаче учени от Института за еволюционна антропология в Лайпциг успяха да дешифрират част от генома на общия прародител и на трите клона на човешката еволюция. Въпреки факта, че този прародител все още не е бил неандерталец или денисован, останките му са намерени в Испания - въз основа на приетата картина се оказа, че той трябва да напусне Африка и да стъпи по пътя на „неандертализацията“.
Резултатите от генетичния анализ обаче бяха шокиращи. ДНК на "испанския" човек се оказа много по-близък до генома на Денисована, който изобщо не би трябвало да е в Европа! Оказва се, че цялата картина на нашите отношения с денизованците и неандерталците далеч не е безспорен факт.
Описаният пример е само един от многото открити въпроси на съвременната палеоантропология. Само днес религиозните фанатици се съмняват, че човекът е произлязъл от маймуна. Но какво точно се случи с нашите предци няколко милиона години, отделяйки слизането от дърветата и записаната история - като цяло, все още е загадка.
Установени са 78 нуклеотидни замествания, които отличават съвременните хора от неандерталците. Посочени са функциите на 5 гена, които се характеризират с множество замествания. Някои от тях са активни в кожата и косата и ясно участват в създаването на "човешки" външен вид и визуално възприятие (CAN15). Други, очевидно, са свързани с психичните характеристики на човек. Един от гените определя активността на сперматозоидите - вероятно е еволюирал под влиянието на сексуалния подбор.
Загадка трета: какво е вирус?
В случая с хората, и наистина с повечето съвременни животни и растения, човек може поне грубо да изведе връзка с еволюционните предци. Виролозите не могат да се похвалят с това. Всъщност науката все още не разбира какво е вирус.
Факт е, че тези микроскопични ацелуларни паразити изобщо не се вписват в системата на живия свят. Всички живи същества, познати ни, се състоят и идват от клетки. Вирусът съществува и само с помощта на клетки: той се нуждае от домакин, за да се възпроизведе. Ако всички клетки изведнъж изчезнаха от планетата, тогава вирусите биха се превърнали в безсмислени мехурчета от протеини и ДНК, неспособни на всякакви биологични функции.
Как съществуваше такава странна форма на материята? Има две основни версии.
Първа версия: вирусите са бегли гени. Такъв сценарий не е трудно да си представим. В нашия геном има елементи, наречени транспозони, които могат да се изрежат от една част от генома и да се вмъкнат в друга. Понякога тези „подвижни гени“вземат със себе си други парчета ДНК, които са в съседство. Предполага се, че преди милиарди години един от тези „подвижни гени“случайно е събрал в един набор минималния набор, необходим за независимо съществуване: вляво например имаше „копирна машина“, необходима за възпроизвеждане на ДНК, а вдясно - „нож“с с които бихте могли да влезете в нова клетка. От този момент генът се превърна във вирус и започна да се развива отделно от родителския организъм.
Втора версия: вирусите са опростени клетки. Днес редица учени са склонни към тази версия главно поради откриването на редица гигантски вируси, сравними по размер по отношение на клетките. Според тази версия вирусите някога са били клетъчни организми - например бактерии. Тези бактерии са се научили да паразитизират върху други, по-големи клетки. Постепенно те се отърваха от всичко ненужно, включително собственото си „клетъчно оборудване“- и така се превърнаха във вируси, които запазиха само няколко гена и „инструменти“, необходими за заразяване.
Тази хипотеза е подкрепена от исторически прецедент. Нещо подобно се случи с митохондриите - „енергийни станции“, които съставляват нашите клетки. Някога те бяха бактерии, но след това влязоха в съюз с по-големи клетки, загубиха независимостта си и днес те са неразделна част от тях.
Както при произхода на живота, историята на вирусите се губи през вековете. Вирусите нямат кости или черупки, не оставят вкаменелости или следи в утаени скали. Възможно е вирусите да са се появявали независимо (възможно по различни начини) няколко пъти. Почти сигурно е известно, че всички живи организми произхождат от една клетка. Дали това се отнася за "полуживи" вируси, все още не е известно.
Съществува трета версия за произхода на вирусите, според която те са възникнали още преди да се появят техните домакини, клетки. Според тази версия първоначално е съществувала виросферата на самовъзпроизвеждащите се генетични елементи. Някои от тези елементи придобиха клетъчна структура и в крайна сметка породиха и трите области на живота. Вирусите обаче постепенно преминават към паразитизъм и продължават да се развиват успоредно с техните клетъчни гостоприемници.
Загадка четвърта: защо се нуждаем от сън?
Прекарваме една трета от живота си насън - и в същото време абсолютно не разбираме защо. Ние знаем нещо за това, което се случва насън, и отчасти защо сън може да се появи. Но науката все още не може да отговори на въпроса защо сънят е толкова необходим.
Циркадните ритми като цяло и по-специално сънят очевидно са свързани с въртенето на Земята около Слънцето. Каквито и да са характеристиките на животното, за почти всеки от тях има време на деня, когато е по-безопасно да не правите нищо, а просто да седите спокойно и да не стърчате. Съвсем логично е, че сънят може да се появи като начин за пестене на енергия в този „режим на готовност“. Останалите функции на съня - например обработка и втвърдяване на паметта - вероятно се появяват като „добавки“през този режим.
Но тази теория изобщо не обяснява защо сънят е толкова необходим. Научно документираният запис за умишлено лишаване от сън (без използването на стимуланти) е 11 дни и принадлежи на американеца Ранди Гарднър. Дори такъв не толкова впечатляващ рекорд може да завърши с катастрофа: през 2012 г. любител на китайския футбол, който цяла нощ наблюдаваше Евро 2012, почина от безсънен маратон с подобна продължителност. Болестите, които увреждат механизмите на съня, са изключително опасни. Нелечимо наследствено разстройство, наречено Fatal Familial Insomnia, говори само за себе си: След появата на симптомите пациентите не живеят дори година.
Проекции на области на мозъка, които променят активността след лишаване от сън. Зеленото означава намаляване на активността, червено - увеличение
Снимка: cercor.oxfordjournals.org
Има ли животни, които не спят? Този въпрос зададоха учени от Университета на Уисконсин в Медисън. Като разгледаха наличните данни, те стигнаха до заключението: няма нито един ясно и недвусмислено доказан случай на съществуване на „сънно“животно до момента. Това не изключва тази възможност: авторите подчертават, че данните за съня за повечето видове са изключително оскъдни.
Въпреки това наличната информация е достатъчна за доста недвусмислена картина: нито хората, нито плъховете, нито дори мухите с хлебарки не могат да живеят без сън. Всичко показва, че сънят е същото универсално свойство на живите същества като дишането или наследствеността. Но ако значението на последното днес е очевидно, тогава учените ще трябва да се потят много над ролята на съня.
До какво сънува муха?
Новите технологии значително подобриха способността ни да изучаваме съня при други видове. Например, съвременното оборудване ви позволява да снимате нещо подобно на електроенцефалограма … от спяща муха. В проучване от миналата година изследователи от университета в Куинсланд в Австралия показаха, че мухите не само спят, но и имат различни фази на съня - точно като нас самите. Тези фази варират в дълбочина и се редуват през нощта, като времето на „дълбок сън“се увеличава, ако мухите се уморят много. Най-общо казано, сънът на мухите е толкова подобен на нашия, че учените обсъждат с мощност и основна употреба на плодовите мухи като модел за изучаване на аномалии, които се характеризират с нарушаване на съня.
Снимка: depositphotos.com/Tomatito
Загадка пета: какво е "аз"?
Последната загадка, че днешната биология се разгражда, също е свързана с нервната дейност, но много по-сложна от съня на Дрозофила. Съзнанието е толкова сложен и труден за определяне процес, че дълго време човек арогантно го определя като свое уникално свойство.
Днес уникалността на човешкото съзнание е философски, а не биологичен въпрос. Няма съмнение, че човек е достигнал невиждани висоти в развитието на своя интелект. Но има ли нещо качествено ново в структурата и работата на нашия мозък? Най-вероятно не. Кучетата имат емоции, маймуните могат да преброят, а делфините дори имат прилика на езика с граматически и културни различия в различни части на света. Изучавайки животни, интуитивно разбираме, че някои от тях поне отдалеч са наясно със собственото си съществуване. Но все още не разбираме напълно какво точно стои зад това осъзнаване. Просто казано, ние не знаем какво е съзнанието.
Снимка: depositphotos.com/vitaliy_sokol
През последните години невробиологията достигна безпрецедентни висоти. Имаме добра представа за това как работят нервните клетки, как се активират или потискат и как взаимодействат помежду си. Знаем какво се променя в състава на тези клетки по време на учене и формиране на паметта. Знаем кои части от мозъка са отговорни за това или онова поведение.
Но знанието, че префронталната кора по някакъв начин е свързана със социалните взаимодействия и невроните в нея се бомбардират взаимно със специални молекули и електрически полета, изобщо не означава да разберете как човек се получава от другия. Днес учените правят първите опити да симулират работата на най-простите невронни мрежи: съществуващите данни могат уникално да опишат "съзнанието" на може би медузи. Науката все още не е в състояние да "хакне" човешкото съзнание, независимо колко го искат любителите на научната фантастика.