U suvremenoj biologiji postoji samo pet glavnih misterija
Zagonetka jedna: odakle je život nastao?
Biologija - prevedena s grčke "nauka o životu" - nema pojma odakle potječe predmet njezina proučavanja. Situacija nije jedinstvena - primjerice, fizičari također ne razumiju baš dobro kako je točno nastala Planckova konstanta ili sila gravitacije. Ali samo u biologiji možda pitanja o "počecima" imaju tako akutno značenje.
Američki genetičar sovjetskog podrijetla Theodosius Dobrzhansky rekao je da ništa u ovoj znanosti nema smisla ako se ne prođe kroz teoriju evolucije.
Biološka znanost temelji se na klasičnim, opisnim disciplinama: zoologija, botanika, mikrobiologija itd. I nekako se podrazumijeva da je svrha istraživanja svakog od njih detaljnije objašnjenje jedne ili druge grane evolucijskog stabla.
Istovremeno, tijekom posljednjih stotina godina, ogroman dio biologije odvojio se od izvorne, deskriptivne znanosti i stopio se s medicinom, tvoreći jedinstvenu biomedicinsku granu. Karakterizira ga drugačiji pristup, analitički. Znanstvenik ne opisuje samo miša - on cijepa nove gene u njega i promatra rezultat. Ali zašto nas toliko zanimaju miševi, majmuni i voćne muhe? Odgovor je jednostavan: zahvaljujući teoriji evolucije, znamo da se rad mišjeg organizma u osnovi ne razlikuje od našeg vlastitog rada. Kao rezultat toga, analitička biologija ima daleko više praktičnih koristi od opisne biologije.
Ali postoji treći oblik biologije, koji se tek počinje pojavljivati ovih dana. Današnji "analitički" biolog modificira živi organizam da bi shvatio kako on djeluje. Sutra će za to stvoriti organizme ispočetka - ovo je pristup sintetičke biologije.
Doista, najsigurniji način razumijevanja strukture bilo kojeg mehanizma je izgraditi ga sami. Već danas znanstvenici su u mogućnosti da sintetiziraju čitave genome u epruveti i nateraju ih da rade u živoj stanici. Ovaj eksperiment nedvosmisleno pokazuje koji su geni potrebni za postojanje života - što znači da otvara neviđene mogućnosti za njihovo modificiranje, modificiranje i podvrgavanje našoj volji. Otkrića analitičke biologije izvršena su "od vrha do dna": organizam se raspada na što je moguće osnovne komponente. Sintetska biologija, s druge strane, istražuje žive stvari "odozdo prema gore": cijeli organizam sastoji se od što više osnovnih komponenti.
Promotivni video:
Ali kako započeti "sintetiziranje života" ako je tako malo što se razumije u podrijetlo života? U spomenutom primjeru umjetnim genomom znanstvenici su ga ugradili u živu stanicu iz koje je uklonjen vlastiti DNK. Dakle, od dvije glavne komponente živih bića - stanica i gena koje sadrži - znanstvenici su do sada uspjeli sintetizirati samo jednu.
Život se na Zemlji pojavio prije otprilike 3,5 - 4 milijarde godina: po geološkim standardima, gotovo odmah nakon formiranja planeta prije 4,5 milijardi godina. Ali svaka ozbiljna "kronika" današnje biologije počinje mnogo kasnije: do tada su stanice već disale kisik, marljivo sintetizirajući tisuće proteina, mnoge od njih već su odavno ujedinjene u višećelijske organizme koji su se već znali pariti, aktivno tražiti hranu, pa čak i pamtiti informacije.
Za sintetskog biologa od najveće su važnosti najstariji stupnjevi evolucije, izgubljeni stoljećima, tijekom kojih su postavljena osnovna načela organiziranja živih bića. Zašto su, na primjer, proteini sastavljeni isključivo od levorotatornih aminokiselina? Kemijska struktura tih "zrnaca" proteinskih lanaca je takva da mogu postojati u dva zrcalna oblika, nazvana lijevi i dekstrorotatorni. Čini se da se kemijska svojstva ovih molekula ne razlikuju: sastoje se od istih atoma na istim udaljenostima jedna od druge. Unatoč tome, sva živa bića koriste isključivo levorotatorne aminokiseline.
Ima li duboko značenje u tome ili je to slučajnost koju smo naslijedili od "izvorne" ćelije? Je li moguće stvoriti "dekstrorotatorni protein"? Dekstrorotatorni organizam? Hoće li se razlikovati od ostalih živih bića? Te su misterije izravno povezane s podrijetlom života. Slijedi popis: je li fosfor potreban u DNK? Je li život moguć bez ćelije? Koje su kemikalije potrebne za samoobnavljanje? Praktične mogućnosti iza ovih pitanja su beskrajne.
Čak i ako je život doveden na Zemlju iz svemira, kako mnogi vjeruju, to ni na koji način ne mijenja pitanja s kojima se suočava evolucijska - i sintetička - biologija budućnosti. Ako se život nije pojavio na Zemlji, onda gdje, i što je najvažnije - kako? Vjerojatno će ta misterija ostati neriješena - iako nitko ne zna što će sutra donijeti otkrića.
Svi organizmi koji danas žive na planeti poticali su od jednog zajedničkog pretka. Ali ovaj predak već je posjedovao stanicu i sve njene osnovne sastavnice. Znanost ne zna ništa o slijepim granama evolucije prije pojave zajedničkog pretka, niti o tome postoje li druga, paralelna „stabla života“.
Zagonetka druga: odakle smo došli?
U bilo kojem obliku život se prvi put pojavio na Zemlji, nakon tri i pol milijarde godina, evolucija je rodila izravne pretke vrste Homo sapiens - Homo sapiens.
Podrijetlo ovog jedinstvenog majmuna mnogo se bolje razumije od evolucije većine drugih vrsta. No iz očitih razloga naša je pažnja na ovo pitanje mnogo veća nego kada se primjenjuje na druge životinje. Ne zanima nas kako su preci voluharica ili jerebica migrirali preko kontinenata. Ali kad su u pitanju naši najbliži rođaci, njihova putovanja po svijetu i međusobne interakcije pretvaraju se u pravi povijesni detektiv.
U novije vrijeme znanstvenici su na kostima izgradili čitavu rodoslovlje ljudskog roda. Skeleti pronađeni u različitim dijelovima svijeta analizirani su zbog značajki kao što su struktura zuba i volumen lubanje. Na temelju tih podataka, skeleti su grupirani u vrste, a na temelju njihovih sličnosti i razlika izgrađena je slika postupnog pretvaranja glupih majmuna u pametne ljude s palicom u rukama.
Kao što je postalo jasno posljednjih godina, takva slika nema malo veze sa stvarnošću. Evolucija najbližih ljudskih predaka nije sekvencijalna transformacija neke vrste u druge, već razgranato drvo s mnogim slijepim granama. Može biti izuzetno teško shvatiti na koji su način te grane povezane jedna s drugom. Danas nam u tome pomažu najnovije tehnologije za analizu DNK dobivene iz fosila.
Na primjer, svjedoci smo akcijske znanstvene drame o odnosu naših izravnih predaka - ranih Homo sapiensa - sa njihovim rođacima: neandertalcima i Denisovanovima.
Je li rad stvorio čovjeka?
Do 20. stoljeća arheologija je bila prilično potresna znanost, sklona vidjeti dokaze ljudske veličine u svakoj pronađenoj kosti. Među vitkim, ali posve neutemeljenim hipotezama rane arheologije ističe se ideja da je ovladavanje alatom - navodno neviđen fenomen u prirodi - izravno odredio izgled ljudi. Odjeci ove hipoteze čuju se u imenu vrste Homo habilis - vješta osoba koja se prije smatrala najstarijim predstavnikom roda Homo.
Danas je vidljivo da upotreba alata nije daleko od jedinstvenog za ljude. Kamenjem i palicama, na primjer, stari su majmuni - panatropi bili dobro kontrolirani. Moderne životinje, poput vrana, dupina, slonova i, naravno, mnogih primata, također koriste alate. Znanstvenici se još uvijek raspravljaju o tome što je točno učinilo da su ljudski preci stali na noge i razvili ogroman mozak, ali pretjerana romantizacija „vještine“danas je zastarjela.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
U 2010. godini neandertalski genom je dekodiran. Na temelju analize dobivenih podataka zaključeno je da je ta vrsta, koja se ranije smatrala neovisnom, u stvari aktivno bila u vezi s našim precima i donijela od 1 do 4% genetske informacije u DNK suvremenog Europljana.
Nedugo zatim - 2008. godine - otkriven je još jedan "rođak" modernog čovjeka, Denisovit. I on se nije protivio napadu na "razumne" mlade dame: današnjim stanovnicima nekih regija jugoistočne Azije ostalo je 3 - 5% njegovog DNK.
Već neko vrijeme postrojila se prilično vitka slika ovog ljubavnog trokuta. U Africi tri grane roda Homo nastaju od zajedničkog pretka. Neandertalci migriraju u Europu, Denisovani u Aziju. Treća grana ostaje u Africi. Postupno se pretvara u Homo sapiensa i kreće u šetnju svijetom, "pokupivši" odgovarajuće gene na zapadu i istoku od "rođaka" koji već žive tamo. Homo sapiens ubuduće istiskuje i one i druge rođake s lica Zemlje (točno kako - još jedna bijela mrlja u povijesti), ali zadržava "otiske" i neandertalca i Denisovanaca.
Međutim, u novije vrijeme znanstvenici s Instituta za evolucijsku antropologiju u Leipzigu uspjeli su dešifrirati dio genoma zajedničkog pretka sve tri grane ljudske evolucije. Unatoč činjenici da taj predak još nije bio neandertalac ili Denisovana, njegovi su posmrtni ostaci pronađeni u Španjolskoj - na temelju prihvaćene slike pokazalo se da je morao napustiti Afriku i zakoračiti na put "neandertalizacije".
Međutim, rezultati genetske analize bili su šokantni. DNK "španjolskog" čovjeka pokazao se mnogo bliže genomu Denisovana, koji uopće nije trebao biti u Europi! Ispada da je cjelokupna slika naših odnosa s Denisovanovima i neandertalcima daleko od neosporne činjenice.
Opisani primjer samo je jedno od mnogih otvorenih pitanja moderne paleoantropologije. Samo religiozni fanatici danas sumnjaju da je čovjek porijeklom od majmuna. Ali što se točno dogodilo s našim precima prije nekoliko milijuna godina, odvajajući se od drveća i zabilježene povijesti - u velikoj mjeri, još uvijek je misterija.
Identificirano je 78 nukleotidnih zamjena koje razlikuju moderne ljude od neandertalaca. Naznačene su funkcije 5 gena za koje je karakteristično više zamjena. Neki od njih aktivni su u koži i kosi i jasno sudjeluju u stvaranju „ljudskog“izgleda i vizualne percepcije (CAN15). Drugi su, očito, povezani s mentalnim karakteristikama osobe. Jedan od gena određuje aktivnost sperme - vjerojatno se razvio pod utjecajem seksualnog odabira.
3. zagonetka: što je virus?
Kod ljudi, ali i kod većine modernih životinja i biljaka, čovjek može barem otprilike povezati evolucijske pretke. Virolozi se ne mogu pohvaliti s tim. Zapravo, znanost još uvijek ne razumije što je virus.
Činjenica je da se ovi mikroskopski acelularni paraziti uopće ne uklapaju u sustav živog svijeta. Sva živa bića koja su nam poznata sastoje se od stanica. Virus postoji i samo uz pomoć stanica: potreban je domaćin da se razmnožava. Ako bi sve stanice iznenada nestale s planete, virusi bi se pretvorili u besmislene mjehuriće bjelančevina i DNK, nesposobni za bilo koju biološku funkciju.
Kako je postojao takav čudan oblik materije? Postoje dvije glavne verzije.
Prva verzija: virusi su bježeći geni. Takav scenarij nije teško zamisliti. U našem genomu postoje elementi koji se nazivaju transpozoni koji mogu izrezati jedan dio genoma i umetnuti se u drugi. Ponekad ovi "pokretni geni" uzimaju sa sobom i druge dijelove DNK koji se nalaze u susjedstvu. Pretpostavlja se da je prije nekoliko milijardi godina jedan od tih "mobilnih gena" slučajno sastavio u jednom skupu minimalni skup neophodan za neovisno postojanje: na lijevoj strani je, na primjer, stajao "stroj za kopiranje" potreban za reprodukciju DNK, a s desne strane - "penknife" s s kojom biste mogli ući u novu ćeliju. Od tog trenutka gen se pretvorio u virus i počeo se razvijati odvojeno od matičnog organizma.
Druga verzija: virusi su pojednostavljene stanice. Danas su brojni znanstvenici skloni ovoj verziji prvenstveno zbog otkrića brojnih divovskih virusa koji se po veličini mogu usporediti sa stanicama. Prema ovoj verziji, virusi su možda nekada bili stanični organizmi - na primjer, bakterije. Te su bakterije naučile parazitirati na drugim, većim stanicama. Postupno su se riješili svega nepotrebnog, uključujući vlastitu "staničnu opremu" - i tako se pretvorili u viruse koji su zadržali samo nekoliko gena i "alata" potrebnih za zarazu.
Ova je hipoteza podržana povijesnim presedanom. Nešto slično se dogodilo i s mitohondrijama - "energetskim stanicama" koje čine naše stanice. Nekada su to bile bakterije, ali potom su ušle u savez s većim stanicama, izgubile su neovisnost, a danas su njihov sastavni dio.
Kao i kod podrijetla života, povijest virusa gubi se kroz stoljeća. Virusi nemaju kosti ili školjke, ne ostavljaju fosile niti tragove u sedimentnim stijenama. Moguće je da su se virusi nekoliko puta neovisno pojavili (možda na različite načine). Gotovo je sigurno poznato da svi živi organizmi potječu iz jedne stanice. Da li se to odnosi na "polu-žive" viruse još uvijek nije poznato.
Postoji treća verzija podrijetla virusa, prema kojoj su nastali i prije pojave njihovih domaćina, stanica. Prema ovoj verziji izvorno je postojala virosfera genetskih elemenata koji se samostalno reproduciraju. Neki od ovih elemenata poprimili su staničnu strukturu i na kraju stvorili sva tri područja života. Virusi su, međutim, postupno prešli u parazitizam i nastavili su se razvijati paralelno sa svojim staničnim domaćinima.
Četvrta zagonetka: zašto nam treba spavanje?
Trećinu života provodimo u snu - a istovremeno apsolutno ne razumijemo zašto. Znamo nešto o tome što se događa u snu, a dijelom i zašto se san može pojaviti. Ali znanost još ne može odgovoriti na pitanje zašto je spavanje toliko potrebno.
Cirkadijski ritmovi općenito i posebno spavanje očito su povezani s rotacijom Zemlje oko Sunca. Bez obzira na karakteristike životinje, za gotovo bilo koju od njih postoji doba dana kada je sigurnije ne raditi ništa, već samo mirno sjediti i ne izlaziti. Sasvim je logično da se spavanje moglo pojaviti kao način za uštedu energije u ovom "stanju pripravnosti". Ostatak funkcija mirovanja - na primjer, obrada i otvrdnjavanje memorije - vjerojatno se pokazalo kao "dodaci" tijekom ovog načina.
Ali ta teorija uopće ne objašnjava zašto je spavanje toliko potrebno. Znanstveno dokumentirani zapis o namjernom uskraćivanju sna (bez upotrebe stimulansa) traje 11 dana i pripada Amerikancu Randyju Gardneru. Čak i takav ne baš impresivan rekord mogao bi završiti katastrofom: 2012. godine, kineski navijač nogometa koji je cijelu noć gledao Euro 2012 umro je od besanog maratona sličnog trajanja. Bolesti koje oštećuju mehanizme spavanja izuzetno su opasne. Neizlječiv nasljedni poremećaj nazvan Fatalna porodična nesanica govori sam za sebe: Nakon pojave simptoma pacijenti ne žive ni godinu dana.
Projekcije područja mozga koja mijenjaju aktivnost nakon nedostatka sna. Zelena označava pad aktivnosti, crvena - povećanje
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Postoje li životinje koje ne spavaju? Ovo su pitanje postavili znanstvenici sa Sveučilišta Wisconsin u Madisonu. Razmotrivši dostupne podatke, zaključili su: do danas nema niti jednog jasno i nedvosmisleno dokazanog slučaja postojanja „uspavane“životinje. To ne isključuje tu mogućnost: autori ističu da su podaci o snu za većinu vrsta izuzetno rijetki.
Ipak, dostupne informacije dovoljne su za prilično nedvosmislenu sliku: ni ljudi, ni štakori, pa čak ni muhe s žoharima ne mogu živjeti bez sna. Sve ukazuje da je san isto univerzalno svojstvo živih bića kao disanje ili nasljednost. Ali ako je značenje potonjeg danas očito, tada će se znanstvenici morati puno znojiti nad ulogom sna.
O čemu sanja muha?
Nove tehnologije značajno su poboljšale našu sposobnost proučavanja spavanja kod drugih vrsta. Na primjer, moderna oprema omogućuje vam snimanje nečega sličnog elektroencefalogramu … iz spavaće muhe. U istraživanju prošle godine, istraživači sa Sveučilišta u Queenslandu u Australiji pokazali su da muhe ne samo da spavaju, već imaju i različite faze spavanja - baš kao i mi sami. Te se faze razlikuju po dubini i izmjenjuju se tijekom noći, pri čemu se vrijeme "dubokog sna" povećava ako se muhe jako umru. Općenito govoreći, leteći san je toliko sličan našem da znanstvenici snagom raspravljaju o upotrebi voćnih muha kao modelu proučavanja nepravilnosti koje karakteriziraju poremećaj spavanja.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
5. zagonetka: što je "ja"?
Posljednja misterija da se današnja biologija ruši također je povezana s živčanom aktivnošću, ali mnogo složenijom od sna Drozophila. Svijest je tako složen i teško definiran proces da ga je osoba dugo arogantno definirala kao svoje jedinstveno svojstvo.
Danas je jedinstvenost ljudske svijesti više filozofsko, a ne biološko pitanje. Nema sumnje da je osoba postigla neviđene visine u razvoju svog intelekta. No, postoji li nešto kvalitativno novo u strukturi i radu našeg mozga? Najvjerojatnije ne. Psi imaju emocije, majmuni mogu računati, a dupini čak i prilični jezik s gramatičkim i kulturnim razlikama u različitim dijelovima svijeta. Proučavajući životinje, intuitivno razumijemo da su neke od njih barem na daljinu svjesne vlastitog postojanja. Ali još uvijek ne razumijemo u potpunosti što se zapravo krije iza ove svijesti. Jednostavno rečeno, ne znamo što je svijest.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Posljednjih godina neurobiologija je dostigla neviđene visine. Imamo dobru ideju o tome kako djeluju živčane stanice, kako se aktiviraju ili suzbijaju i kako djeluju jedna s drugom. Znamo što se mijenja u sastavu tih stanica tijekom učenja i stvaranja memorije. Znamo koji su dijelovi mozga odgovorni za ovo ili ono ponašanje.
Ali to što znamo da je prefrontalni korteks na neki način povezan s društvenim interakcijama, a neuroni u njemu međusobno bombardiraju posebnim molekulama i električnim poljem, ne znači uopće razumjeti kako jedan dobiva od drugog. Danas znanstvenici čine prve pokušaje da simuliraju rad najjednostavnijih neuronskih mreža: postojeći podaci mogu jedinstveno opisati "svijest" možda meduza. Znanost još nije u stanju "hakirati" ljudsku svijest, bez obzira koliko ljubitelji znanstvene fantastike to žele.