V moderní biologii existuje jen pět hlavních záhad
Riddle one: Odkud pochází život?
Biologie - přeložená z řecké „vědy o životě“- nemá ponětí, odkud předmět jejího studia pochází. Situace není ojedinělá - například fyzici také nechápou, jak přesně vznikla Planckova konstanta nebo gravitační síla. Ale pouze v biologii mají otázky týkající se „začátku začátků“tak akutního významu.
Americký genetik sovětského původu Theodosius Dobrzhansky řekl, že nic v této vědě nedává smysl, pokud se neprojde evoluční teorií.
Biologická věda je založena na klasických, popisných disciplínách: zoologie, botanika, mikrobiologie atd. A nějak je samozřejmé, že účelem výzkumu každé z nich je nejpodrobnější vysvětlení jedné nebo druhé větve evolučního stromu.
Současně se za posledních sto let oddělila velká část biologie od původní, popisné vědy a sloučila se s medicínou a vytvořila jednu biomedicínskou větev. Vyznačuje se odlišným přístupem, analytickým. Vědec nepopisuje pouze myš - do ní naroubuje nové geny a pozoruje výsledek. Ale proč se tak zajímáme o myši, opice a ovocné mušky? Odpověď je jednoduchá: díky teorii evoluce víme, že práce myšího organismu se zásadně neliší od práce naší vlastní. Výsledkem je, že analytická biologie má mnohem praktičtější výhody než popisná biologie.
Existuje však třetí forma biologie, která se v současnosti začíná objevovat. Dnešní „analytický“biolog modifikuje živý organismus, aby pochopil, jak to funguje. Zítra pro to vytvoří organismy od nuly - to je přístup syntetické biologie.
Ve skutečnosti je nejjistějším způsobem, jak porozumět struktuře jakéhokoli mechanismu, vybudovat jej sami. Již dnes jsou vědci schopni syntetizovat celé genomy ve zkumavce a přimět je, aby pracovali v živé buňce. Tento experiment jednoznačně ukazuje, které geny jsou nezbytné pro existenci života - což znamená, že otevírá nebývalé příležitosti pro jejich modifikaci, modifikaci a podřízení naší vůli. Objevy analytické biologie se dělají „shora dolů“: organismus se rozkládá na co nejzákladnější složky. Syntetická biologie naproti tomu zkoumá živé věci „zdola nahoru“: celý organismus je složen z co největšího počtu základních složek.
Propagační video:
Ale jak začít „syntetizovat život“, když je toho tak málo, co je chápáno v původu života? Ve výše uvedeném příkladu s umělým genomem jej vědci vložili do živé buňky, ze které byla odstraněna jeho vlastní DNA. Vědci tak dosud dokázali syntetizovat pouze jednu ze dvou hlavních složek živých věcí - buňky a genů, které obsahuje.
Život se na Zemi objevil asi před 3,5 - 4 miliardami let: podle geologických standardů téměř okamžitě po vytvoření planety před 4,5 miliardami let. Ale jakákoli vážná „kronika“dnešní biologie začíná mnohem později: do té doby již buňky dýchaly kyslík, pilně syntetizovaly tisíce proteinů, mnoho z nich se již dlouho spojilo do mnohobuněčných organismů, které již věděly, jak se pářit, aktivně hledat jídlo a dokonce si zapamatovat informace.
Pro syntetického biologa mají nejstarší stádia evoluce ztracená po staletí zásadní význam, během něhož byly položeny základní principy organizace živých věcí. Proč jsou například proteiny složeny výhradně z levotočivých aminokyselin? Chemická struktura těchto „kuliček“proteinových řetězců je taková, že mohou existovat ve dvou zrcadlených formách, které se nazývají levá a pravotočivá. Zdá se, že chemické vlastnosti těchto molekul se neliší: sestávají ze stejných atomů ve stejné vzdálenosti od sebe. Všechny živé bytosti však používají výhradně levotočivé aminokyseliny.
Je v tom hluboký význam, nebo je to nehoda, kterou jsme zdědili od „původní“buňky? Je možné vytvořit „pravotočivý protein“? Levotočivý organismus? Budou se lišit od jiných živých věcí? Tato tajemství přímo souvisí s původem života. Seznam pokračuje: je v DNA vyžadován fosfor? Je život možný bez cely? Jaké chemikálie jsou potřebné pro samoreplikaci? Praktické možnosti těchto otázek jsou nekonečné.
I když byl život přiveden na Zemi z vesmíru, jak mnozí věří, to nijak nemění otázky, kterým čelí evoluční - a syntetická - biologie budoucnosti. Pokud se život neobjevil na Zemi, tak kde a co je nejdůležitější - jak? Je pravděpodobné, že toto tajemství zůstane nevyřešeno - ačkoli nikdo neví, jaké objevy zítra přinese.
Všechny organismy žijící na planetě dnes pocházely od jednoho společného předka. Ale tento předek již měl buňku a všechny její základní složky. Věda neví nic o slepých větvích evoluce před objevením společného předka, ani o tom, zda existovaly jiné paralelní „stromy života“.
Riddle dva: odkud jsme přišli?
V jakékoli formě se život poprvé objevil na Zemi, po třech a půl miliardách let, evoluce porodila přímé předky druhu Homo sapiens - Homo sapiens.
Původ této jedinečné opice je mnohem lépe pochopitelný než vývoj většiny ostatních druhů. Ale ze zřejmých důvodů je naše pozornost na problém mnohem vyšší, než když se použije na jiná zvířata. Nezajímá nás, jak se předkové hrabošů nebo koroptví stěhovali napříč kontinenty. Ale pokud jde o naše nejbližší příbuzné, jejich cesty po celém světě a jejich vzájemné interakce se stávají skutečným historickým detektivem.
V poslední době vědci postavili celou genealogii lidské rasy na kostech. Kostry nalezené v různých částech světa byly analyzovány na rysy, jako je struktura zubů a objem lebky. Na základě těchto údajů byly kostry seskupeny do druhů a na základě jejich podobností a rozdílů byl vytvořen obraz postupné přeměny hloupých opic na inteligentní lidi s holí v ruce.
Jak se ukázalo v posledních letech, takový obrázek nemá nic společného s realitou. Evoluce nejbližších lidských předků není postupná transformace některých druhů na jiné, ale rozvětvený strom s mnoha slepými větvemi. Může být velmi obtížné pochopit, jak jsou tyto větve vzájemně propojeny. V tom nám dnes pomáhají nejnovější technologie pro analýzu DNA získané z fosilních paliv.
Například jsme svědky akčního vědeckého dramatu o vztahu našich přímých předků - raných Homo sapiens - s jejich bratranci: neandrtálci a Denisovani.
Stvořila práce člověka?
Až do 20. století byla archeologie poněkud vratká věda, která měla sklon vidět v každé nalezené kosti důkaz lidské velikosti. Mezi štíhlými, ale zcela nepodloženými hypotézami rané archeologie vyniká myšlenka, že ovládání nástrojů - údajně bezprecedentní jev přírody - přímo určovalo vzhled lidí. Ozvěny této hypotézy jsou slyšet ve jménu druhu Homo habilis - zručný člověk, který byl dříve považován za nejstaršího zástupce rodu Homo.
Dnes je zřejmé, že použití nástrojů není pro člověka zdaleka jedinečné. Například s kameny a hůlkami byly starověké opice - pananthropes, dobře kontrolovány. Moderní zvířata, jako jsou havrani, delfíni, sloni a samozřejmě mnoho primátů, používají také nástroje. Vědci se stále hádají o tom, co přesně přimělo lidské předky postavit se na nohy a vyvinout obrovský mozek, ale nadměrná romantizace „dovednosti“je dnes zastaralá.
Fotografie: depositphotos.com/poeticpenguin
V roce 2010 byl neandertálský genom dekódován. Na základě analýzy získaných údajů byl učiněn závěr, že tento druh, dříve považovaný za nezávislý, se skutečně aktivně křížil s našimi předky a přinesl 1 až 4% genetické informace do DNA moderního Evropana.
Nedlouho předtím - v roce 2008 - byl objeven další „bratranec“moderního člověka, Denisovite. Ani on se nechtěl bít proti „rozumným“mladým dámám: dnešní obyvatelé některých regionů jihovýchodní Asie zbývají 3 - 5% DNA.
Nějakou dobu se postavil poměrně štíhlý obrázek tohoto milostného trojúhelníku. V Africe pocházejí tři větve rodu Homo od společného předka. Neandrtálci migrují do Evropy, Denisovani do Asie. Třetí větev zůstává v Africe. Postupně se promění v Homo sapiens a vydává se na procházku po celém světě, „vyzvedne“odpovídající geny na západě a východě od „bratranců“, kteří tam již žijí. V budoucnu Homo sapiens vytlačí ty a další bratrance z povrchu Země (přesně jak - další bílá skvrna v historii), ale zachovává „otisk“neandrtálců i Denisovanů.
V poslední době se však vědcům z Ústavu pro evoluční antropologii v Lipsku podařilo rozluštit část genomu společného předka všech tří odvětví lidské evoluce. Přestože tento předek ještě nebyl neandrtálcem nebo Denisovanem, jeho pozůstatky byly nalezeny ve Španělsku - na základě přijatého obrázku se ukázalo, že musel opustit Afriku a vydat se na cestu „neandertalizace“.
Výsledky genetické analýzy však byly šokující. Ukázalo se, že DNA „španělského“muže je mnohem blíže genomu Denisovanu, který by v Evropě neměl existovat! Ukazuje se, že celý obraz našich vztahů s Denisovany a Neandrtálci není zdaleka nesporným faktem.
Popsaný příklad je jen jednou z mnoha otevřených otázek moderní paleoantropologie. Pouze náboženští fanatici dnes pochybují, že člověk pocházel z opice. Ale to, co se přesně stalo s našimi předky za pár milionů let, oddělující sestup od stromů a zaznamenanou historii - stále je záhadou tajemství.
Bylo identifikováno 78 substitucí nukleotidů, které odlišují moderní lidi od neandertálců. Jsou označeny funkce 5 genů, které jsou charakterizovány více substitucemi. Některé z nich jsou aktivní v kůži a vlasech a jsou jasně zapojeny do vytváření „lidského“vzhledu a vizuálního vnímání (CAN15). Jiní jsou samozřejmě spojeni s mentálními vlastnostmi člověka. Jeden z genů určuje aktivitu spermií - pravděpodobně se vyvinul pod vlivem sexuální selekce.
Riddle tři: co je to virus?
V případě lidí, a skutečně u většiny moderních zvířat a rostlin, lze alespoň zhruba spojit s evolučními předky. Virologové se toho nemohou pochlubit. Ve skutečnosti věda stále nechápe, co je virus.
Faktem je, že tyto mikroskopické acelulární parazity vůbec nezapadají do systému živého světa. Všechny živé věci, které známe, se skládají a pocházejí z cel. Virus také existuje pouze pomocí buněk: k reprodukci se potřebuje hostitel. Pokud by všechny buňky najednou zmizely z planety, pak by se viry proměnily v bezvýznamné bubliny proteinů a DNA, které by nebyly schopné všech biologických funkcí.
Jak taková podivná forma hmoty existovala? Existují dvě hlavní verze.
První verze: viry jsou útěkové geny. Takový scénář není těžké si představit. V našem genomu jsou prvky zvané transposony, které se mohou vystřihnout z jedné části genomu a vložit se do druhé. Někdy tyto „mobilní geny“berou s sebou další kousky DNA, které jsou v sousedství. Předpokládá se, že před miliardami let jeden z těchto „pohyblivých genů“náhodně sestavil do jedné sady minimální sadu nezbytnou pro nezávislou existenci: například na levé straně byl „kopírovací stroj“potřebný pro reprodukci DNA a napravo - „kapesní nůž“s s níž byste se mohli dostat do nové buňky. Od té chvíle se gen změnil na virus a začal se vyvíjet odděleně od původního organismu.
Druhá verze: viry jsou zjednodušené buňky. Řada vědců se k této verzi přiklání především díky objevu velkého množství obrovských virů srovnatelných s velikostí buněk. Podle této verze mohou být viry kdysi buněčné organismy - například bakterie. Tyto bakterie se naučily parazitovat na jiných větších buňkách. Postupně se zbavili všeho zbytečného, včetně vlastního „buněčného vybavení“- a tak se změnili na viry, které si uchovaly pouze několik genů a „nástroje“nezbytné pro infekci.
Tato hypotéza je podporována historickým precedentem. Něco podobného se stalo s mitochondriemi - „energetickými stanicemi“, které tvoří naše buňky. Kdysi to byly bakterie, ale poté vstoupily do spojenectví s většími buňkami, ztratily nezávislost a dnes jsou jejich nedílnou součástí.
Stejně jako u původu života se historie virů ztrácí v průběhu staletí. Viry nemají kosti ani skořápky, nezanechávají fosílie ani stopy v sedimentárních horninách. Je možné, že se viry objevily samostatně (možná různými způsoby) několikrát. Je téměř jisté, že všechny živé organismy pocházejí z jedné buňky. Zda se to týká „polo-živých“virů, není dosud známo.
Existuje třetí verze původu virů, podle které vznikly ještě předtím, než se objevili jejich hostitelé, buňky. Podle této verze původně existovala virosphere samo se rozmnožujících genetických prvků. Některé z těchto prvků získaly buněčnou strukturu a nakonec daly vzniknout všem třem doménám života. Viry se však postupně přesunuly k parazitismu a vyvíjely se paralelně s jejich buněčnými hostiteli.
Riddle čtyři: Proč potřebujeme spát?
Trávíme třetinu našeho života ve snu - a zároveň naprosto nechápeme proč. Víme něco o tom, co se ve snu děje, a částečně proč se může sen objevit. Ale věda zatím nemůže odpovědět na otázku, proč je spánek tak nutný.
Cirkadiánní rytmy obecně a spánek zejména jsou zjevně spojeny s rotací Země kolem Slunce. Ať jsou vlastnosti zvířete jakékoli, pro téměř všechny z nich je denní doba, kdy je bezpečnější nedělat nic, ale jen sedět tiše a nevyčnívat. Je docela logické, že se v tomto „pohotovostním režimu“mohl objevit spánek jako způsob, jak ušetřit energii. Zbytek funkcí spánku - například zpracování a kalení paměti - se v tomto režimu pravděpodobně objevil jako „doplňky“.
Tato teorie však vůbec nevysvětluje, proč je spánek tak nutný. Vědecky zdokumentovaný záznam o úmyslné deprivaci spánku (bez použití stimulancií) je 11 dní a patří americkému Randymu Gardnerovi. I takový nepříliš působivý rekord by mohl skončit katastrofou: v roce 2012 zemřel čínský fotbalový fanoušek, který celou noc sledoval Euro 2012, z bezesného maratonu podobné délky. Nemoci, které poškozují spánkové mechanismy, jsou mimořádně nebezpečné. Nevyléčitelná dědičná porucha zvaná Fatal Familial Insomnia hovoří sama za sebe: Po nástupu příznaků nežijí pacienti ani rok.
Projekce oblastí mozku, které mění aktivitu po deprivaci spánku. Zelená označuje snížení aktivity, červená - zvýšení
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Existují zvířata, která nespí? Tuto otázku položili vědci z Wisconsinské univerzity v Madisonu. Po zvážení dostupných údajů dospěli k závěru: neexistuje dosud jednoznačně a jednoznačně prokázaný případ existence „ospalého“zvířete. To nevylučuje tuto možnost: autoři zdůrazňují, že údaje o spánku u většiny druhů jsou velmi vzácné.
Dostupné informace jsou však dostačující pro poměrně jednoznačný obraz: lidé, ani krysy, ani mouchy s šváby nemohou žít bez spánku. Všechno naznačuje, že spánek je stejná univerzální vlastnost živých věcí jako dýchání nebo dědičnost. Pokud je však význam toho posledního zřejmý dnes, vědci se budou muset hodně potit nad úlohou spánku.
O čem moucha sní?
Nové technologie výrazně zlepšily naši schopnost studovat spánek u jiných druhů. Například moderní vybavení umožňuje střílet něco podobného elektroencefalogramu … ze spícího mouchy. V loňské studii vědci z University of Queensland v Austrálii ukázali, že mouchy nejen spí, ale mají také různé spánkové fáze - stejně jako my. Tyto fáze se liší v hloubce a střídají se v noci, přičemž doba „hlubokého spánku“se zvyšuje, pokud jsou mouchy velmi unavené. Obecně lze říci, že létající spánek je tak podobný našemu, že vědci diskutují s mocí a hlavní využití ovocných mušek jako modelu pro studium abnormalit, které jsou charakterizovány poruchami spánku.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Riddle pět: co je to „já“?
Poslední záhada, že se dnešní biologie rozpadá, souvisí také s nervovou aktivitou, ale mnohem složitější než spánek Drosophily. Vědomí je tak složitý a obtížně definovatelný proces, který po dlouhou dobu člověk arogantně definoval jako svůj vlastní jedinečný majetek.
Jedinečnost lidského vědomí je dnes spíše filozofickou než biologickou otázkou. Ve vývoji intelektu není pochyb o tom, že člověk dosáhl bezprecedentních výšek. Ale existuje něco kvalitativně nového ve struktuře a práci našeho mozku? Pravděpodobně ne. Psi mají emoce, opice mohou počítat a delfíni dokonce mají zdání jazyka s gramatikou a kulturními rozdíly v různých částech světa. Studiem zvířat intuitivně chápeme, že některá z nich si jsou alespoň vzdáleně vědoma své vlastní existence. Stále však stále ještě nechápeme, co přesně za tímto vědomím stojí. Jednoduše řečeno, nevíme, co je vědomí.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
V posledních letech dosáhla neurobiologie nebývalých výšek. Máme dobrou představu o tom, jak fungují nervové buňky, jak jsou aktivovány nebo potlačovány a jak spolu komunikují. Víme, jaké změny ve složení těchto buněk během učení a formování paměti. Víme, které části mozku jsou odpovědné za toto či oné chování.
Ale vědět, že prefrontální kůra je nějakým způsobem spjata se sociálními interakcemi a neurony v ní bombardují navzájem speciální molekuly a elektrická pole, neznamená vůbec pochopit, jak se jeden dostane od druhého. Vědci dnes dělají první pokusy simulovat provoz nejjednodušších neuronových sítí: stávající data mohou jedinečně popisovat „vědomí“medúzy. Věda dosud není schopna „hacknout“lidské vědomí, bez ohledu na to, jak moc ho milují sci-fi.