V sodobni biologiji obstaja le pet glavnih skrivnosti
Uganka ena: od kod je prišlo življenje?
Biologija - prevedena iz grške "znanosti o življenju" - nima pojma, od kod izvira predmet njenega preučevanja. Stanje ni edinstveno - fiziki na primer prav tako ne razumejo dobro, kako točno je nastala Planckova konstanta ali sila gravitacije. Toda le v biologiji imajo morda vprašanja o "začetku začetkov" tako oster pomen.
Ameriški genetik sovjetskega porekla Theodosius Dobrzhansky je dejal, da nič v tej znanosti ni smiselno, če se ne prenese skozi teorijo evolucije.
Biološka znanost temelji na klasičnih, opisnih disciplinah: zoologija, botanika, mikrobiologija itd. In nekako je samoumevno, da je namen raziskovanja vsakega od njih najbolj podrobno razjasniti eno ali drugo vejo evolucijskega drevesa.
Hkrati se je v zadnjih sto letih ogromen del biologije odcepil od prvotne, deskriptivne znanosti in se združil z medicino in tvoril eno samo biomedicinsko vejo. Zanj je značilen drugačen pristop, analitičen. Znanstvenik ne opisuje samo miške - vanjo cepi nove gene in opazuje rezultat. Toda zakaj nas tako zanimajo miši, opice in sadne muhe? Odgovor je preprost: zahvaljujoč teoriji evolucije vemo, da se delo mišjega organizma v osnovi ne razlikuje od lastnega dela. Kot rezultat tega ima analitična biologija veliko več praktičnih koristi kot opisna biologija.
Vendar obstaja tretja oblika biologije, ki se šele začenja pojavljati v teh dneh. Današnji "analitični" biolog spreminja živi organizem, da razume, kako deluje. Jutri bo za to ustvaril organizme iz nič - to je pristop sintetične biologije.
Dejansko je najbolj zanesljiv način razumevanja strukture katerega koli mehanizma zgraditi sam. Že danes lahko znanstveniki sintetizirajo celotne genome v epruveti in jih naredijo, da delujejo v živi celici. Ta poskus nedvoumno pokaže, kateri geni so potrebni za obstoj življenja - kar pomeni, da odpira neslutene možnosti za njihovo spreminjanje, spreminjanje in podrejanje naši volji. Odkritja analitične biologije so narejena "od zgoraj navzdol": organizem se razgradi na čim bolj osnovne sestavine. Sintetična biologija na drugi strani raziskuje živa bitja "od spodaj navzgor": celoten organizem je sestavljen iz čim več osnovnih komponent.
Promocijski video:
Toda kako začeti "sintetizirati življenje", če je tako malo, kar se razume v izvoru življenja? V že omenjenem primeru z umetnim genomom so ga znanstveniki vstavili v živo celico, iz katere so odstranili lastno DNK. Tako je od dveh glavnih sestavnih delov živih bitij - celice in genov, ki jih vsebuje - znanstvenikom doslej uspelo sintetizirati le eno.
Življenje se je na Zemlji pojavilo pred približno 3,5 - 4 milijarde let: po geoloških standardih, skoraj takoj po nastanku planeta pred 4,5 milijarde let. Toda vsaka resna "kronika" današnje biologije se začne mnogo pozneje: do takrat so celice že dihale kisik in pridno sintetizirale na tisoče beljakovin, mnoge od njih so že dolgo združene v večcelične organizme, ki so se že znali pariti, aktivno iščejo hrano in si celo zapomnijo informacije.
Za sintetičnega biologa so najpomembnejše najstarejše faze evolucije, izgubljene v stoletjih, med katerimi so bila postavljena osnovna načela organiziranja živega. Zakaj so na primer beljakovine sestavljene izključno iz levorotatornih aminokislin? Kemična struktura teh "kroglic" beljakovinskih verig je taka, da lahko obstajajo v dveh zrcalnih oblikah, imenovanih levi in dekstrorotatorni. Zdi se, da se kemijske lastnosti teh molekul ne razlikujejo: sestavljene so iz istih atomov na enakih razdaljah drug od drugega. Kljub temu vsa živa bitja uporabljajo izključno levorotatorne aminokisline.
Je v tem globok pomen ali gre za nesrečo, ki smo jo podedovali od "prvotne" celice? Ali je mogoče ustvariti "dekstrorotatorni protein"? Dekstrorotatorni organizem? Se bodo razlikovali od drugih živih bitij? Te skrivnosti so neposredno povezane z nastankom življenja. Seznam nadaljuje: ali je fosfor potreben v DNK? Ali je življenje možno brez celice? Katere kemikalije so potrebne za samo-razmnoževanje? Praktične možnosti za ta vprašanja so neskončne.
Tudi če bi življenje na Zemljo prineslo vesolje, kot mnogi verjamejo, to nikakor ne spremeni vprašanj, ki se soočajo z evolucijsko - in sintetično - biologijo prihodnosti. Če se življenje na Zemlji ne bi pojavilo, kje in kar je najpomembneje - kako? Verjetno bo ta skrivnost ostala nerazrešena - čeprav nihče ne ve, kaj bodo jutri prinesla odkritja.
Vsi organizmi, ki živijo na planetu, danes izvirajo iz enega skupnega prednika. Toda ta prednik je že imel celico in vse njene osnovne sestavine. Znanost ne ve ničesar o slepih vejah evolucije pred pojavom skupnega prednika ali o tem, ali so obstajala druga, vzporedna "drevesa življenja."
Uganka druga: od kod smo prišli?
V kakršni koli obliki se je življenje prvič pojavilo na Zemlji, po treh in pol milijardah let je evolucija rodila neposredne prednike vrste Homo sapiens - Homo sapiens.
Izvor te edinstvene opice je veliko bolje razumljiv kot razvoj večine drugih vrst. Toda iz očitnih razlogov je naša pozornost na to vprašanje veliko večja kot pri drugih živalih. Ne zanima nas, kako so se predniki voluharjev ali jerebice selili po celinah. Ko pa gre za naše najbližje sorodnike, se njihova potovanja po svetu in medsebojna interakcija spremenijo v pravega zgodovinskega detektiva.
Pred kratkim so znanstveniki na kosti zgradili celotno rodoslovje človeške rase. Okostje, ki ga najdemo v različnih delih sveta, smo analizirali glede na lastnosti zob in volumna lobanje. Na podlagi teh podatkov so bila okostja razvrščena v vrste in na podlagi njihovih podobnosti in razlik je bila zgrajena slika postopnega preoblikovanja neumnih opic v pametne ljudi s palico v rokah.
Kot je postalo jasno v zadnjih letih, je taka slika malo povezana z realnostjo. Evolucija najbližjih človeških prednikov ni zaporedna preobrazba nekaterih vrst v druge, temveč razvejano drevo z mnogimi slepimi vejami. Izjemno težko je razumeti, kako so te veje povezane med seboj. Danes nam pri tem pomagajo najnovejše tehnologije za analizo DNK, pridobljenih iz fosilov.
Na primer, priča smo akcijski znanstveni drami o odnosu naših neposrednih prednikov - zgodnjih homo sapiensov - z njihovimi bratranci: neandertalci in Denisovani.
Je delo ustvarilo človeka?
Do 20. stoletja je bila arheologija precej pretresljiva znanost, ki je nagnjena k dokazovanju človeške veličine v vsaki najdeni kosti. Med vitkimi, a povsem neutemeljenimi hipotezami zgodnje arheologije izstopa ideja, da je obvladanje orodij - domnevno brez primere v naravi pojav - neposredno določalo videz ljudi. Odmevi te hipoteze se slišijo v imenu vrste Homo habilis - spretna oseba, ki je prej veljala za najstarejšega predstavnika rodu Homo.
Danes je očitno, da uporaba orodij še zdaleč ni edinstvena za ljudi. S kamni in palicami so bile na primer dobro obvladovane starodavne opice - panatropi. Sodobne živali, kot so krokarji, delfini, sloni in seveda mnogi primati, uporabljajo tudi orodja. Znanstveniki še vedno trdijo, kaj točno je človeške prednike postavilo na noge in razvilo ogromno možganov, vendar je pretirana romantizacija "spretnosti" danes zastarela.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
Leta 2010 je bil neandertalski genom dekodiran. Na podlagi analize pridobljenih podatkov je bilo ugotovljeno, da se je ta vrsta, ki je bila prej obravnavana kot neodvisna, v resnici aktivno povezovala z našimi predniki in prinašala od 1 do 4% genetske informacije v DNK sodobnega Evropejca.
Nedolgo pred tem - leta 2008 - so odkrili še enega "bratranca" sodobnega človeka, Denisovita. Tudi on ni bil proti napadu na "razumne" mlade dame: današnjim prebivalcem nekaterih regij jugovzhodne Azije je ostalo 3 - 5% njegovega DNK.
Nekaj časa se je postavila precej vitka slika tega ljubezenskega trikotnika. V Afriki iz skupnega prednika izvirajo tri veje rodu Homo. Neandertalci se selijo v Evropo, Denisovani v Azijo. Tretja veja ostaja v Afriki. Postopoma se prelevi v Homo sapiensa in se odpravi na sprehod po svetu, "nabirajo" ustrezne gene na zahodu in vzhodu od "bratrancev", ki že živijo tam. Homo sapiens v prihodnosti izpodrine tako tiste kot druge sestrične z obraza Zemlje (točno kako - še ena bela pega v zgodovini), vendar ohrani "odtise" neandertalcev in Denisovcev.
Toda v zadnjem času so znanstvenikom z Inštituta za evolucijsko antropologijo v Leipzigu uspeli razvozlati del genoma skupnega prednika vseh treh vej človeške evolucije. Kljub temu, da ta prednik še ni bil neandertalski ali Denisovanski, so njegove ostanke našli v Španiji - na podlagi sprejete slike se je izkazalo, da je moral zapustiti Afriko in stopiti na pot "neandertalizacije".
Vendar so bili rezultati genetske analize šokantni. DNK "španskega" človeka se je izkazal za veliko bližje genomu Denisovana, ki ga v Evropi sploh ne bi smel biti! Izkazalo se je, da celotna slika naših odnosov z Denisovčani in neandertalci še zdaleč ni nesporno dejstvo.
Opisani primer je le eno od mnogih odprtih vprašanj sodobne paleoantropologije. Samo verski fanatiki danes dvomijo, da je človek segel iz opice. A kaj točno se je zgodilo z našimi predniki nekaj milijonov let, ko ločimo spust od dreves in zapisano zgodovino - na splošno še vedno ostaja skrivnost.
Ugotovljenih je bilo 78 nukleotidnih nadomestkov, ki razlikujejo sodobne ljudi od neandertalcev. Navedene so funkcije 5 genov, za katere je značilno več substitucij. Nekateri od njih so aktivni na koži in laseh in očitno sodelujejo pri ustvarjanju "človeškega" videza in vizualne percepcije (CAN15). Drugi so očitno povezani z miselnimi lastnostmi človeka. Eden od genov določa aktivnost semenčic - verjetno se je razvil pod vplivom spolne selekcije.
Uganka tri: kaj je virus?
Pri ljudeh in res pri večini sodobnih živali in rastlin lahko človek vsaj približno poveže povezavo z evolucijskimi predniki. Virologi se tega ne morejo pohvaliti. Pravzaprav znanost še vedno ne razume, kaj je virus.
Dejstvo je, da ti mikroskopski celični paraziti sploh ne ustrezajo sistemu živega sveta. Vsa živa bitja, ki so nam znana, so sestavljena in prihajajo iz celic. Virus obstaja tudi le s pomočjo celic: potrebuje ga gostitelj, da se razmnoži. Če bi vse celice nenadoma izginile s planeta, bi se virusi spremenili v nesmiselne mehurčke beljakovin in DNK, nezmožnih za kakršne koli biološke funkcije.
Kako je obstajala tako čudna oblika snovi? Obstajata dve glavni različici.
Prva različica: virusi so bežni geni. Takšnega scenarija si ni težko predstavljati. V našem genomu so elementi, imenovani transposoni, ki se lahko izrežejo iz enega dela genoma in se vstavijo v drugega. Včasih ti "mobilni geni" s seboj vzamejo tudi druge koščke DNK, ki so v soseščini. Domneva se, da je bil pred več milijardami let eden od teh "premičnih genov" pomotoma sestavljen v enem nizu minimalni niz, potreben za neodvisen obstoj: na levi strani je bil na primer "kopirni stroj", potreben za reprodukcijo DNK, na desni pa "penknife" z s katero bi lahko prišli v novo celico. Od tega trenutka se je gen spremenil v virus in se začel razvijati ločeno od matičnega organizma.
Druga različica: virusi so poenostavljene celice. Številni znanstveniki so danes tej različici naklonjeni predvsem zaradi odkritja številnih velikanskih virusov, ki so po velikosti primerljivi s celicami. Po tej različici so bili virusi nekoč celični organizmi - na primer bakterije. Te bakterije so se naučile parazitirati na drugih, večjih celicah. Postopoma so se znebili vsega nepotrebnega, tudi lastne "celične opreme" - in se tako spremenili v viruse, ki so obdržali le nekaj genov in "orodij", potrebnih za okužbo.
To hipotezo podpira zgodovinski precedens. Nekaj podobnega se je zgodilo z mitohondrijami - "energetskimi postajami", ki sestavljajo naše celice. Nekoč so bile bakterije, potem pa so sklenile zavezništvo z večjimi celicami, izgubile neodvisnost in danes so njihov sestavni del.
Tako kot pri nastanku življenja se tudi zgodovina virusov skozi stoletja izgublja. Virusi nimajo kosti ali školjk in ne puščajo fosilov ali sledi v usedlini. Možno je, da so se virusi večkrat pojavili neodvisno (po možnosti na različne načine). Skoraj zagotovo je znano, da vsi živi organizmi izvirajo iz ene celice. Ali to velja za "semi-live" viruse, še vedno ni znano.
Obstaja tretja različica izvora virusov, po kateri so nastali še preden so se pojavile njihove gostiteljice, celice. Po tej različici je prvotno obstajala virosfera genetskih elementov, ki se sam reproducira. Nekateri od teh elementov so pridobili celično strukturo in sčasoma so ustvarili vsa tri področja življenja. Toda virusi so se postopoma preusmerili v parazitizem in se še naprej razvijali vzporedno s svojimi celičnimi gostitelji.
Uganka štiri: zakaj potrebujemo spanje?
Tretjino svojega življenja preživimo v sanjah - hkrati pa absolutno ne razumemo, zakaj. Nekaj vemo o tem, kaj se zgodi v sanjah, delno pa, zakaj bi se lahko pojavile sanje. Toda znanost še ne more odgovoriti na vprašanje, zakaj je spanec tako potreben.
Cirkadijski ritmi na splošno in zlasti spanje so očitno povezani z vrtenjem Zemlje okoli Sonca. Ne glede na značilnosti živali, je za skoraj katero od njih čas dneva, ko je varneje ničesar ne storiti, ampak samo tiho sedeti in se ne držati. Povsem logično je, da bi se spanje lahko pojavilo kot način za varčevanje z energijo v tem "stanju pripravljenosti". Preostale funkcije spanja - na primer obdelava in utrjevanje spomina - so se verjetno prikazale kot "dodatki" k temu načinu.
Toda ta teorija sploh ne razlaga, zakaj je spanec tako potreben. Znanstveno dokumentiran zapis o namernem pomanjkanju spanja (brez uporabe stimulansov) je 11 dni in pripada Američanu Randyju Gardnerju. Tudi tak ne ravno impresiven rekord bi se lahko končal v katastrofi: leta 2012 je kitajski navijač nogometa, ki je celo noč gledal Euro 2012, umrl zaradi neprespanega maratona podobnega trajanja. Bolezni, ki poškodujejo mehanizme spanja, so izjemno nevarne. Neozdravljiva dedna motnja, imenovana Fatal Familial Insomnia, govori sama zase: Po pojavu simptomov pacienti ne živijo niti leto.
Projekcije možganskih področij, ki spreminjajo aktivnost po pomanjkanju spanja. Zelena označuje zmanjšanje aktivnosti, rdeča - povečanje
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Ali obstajajo živali, ki ne spijo? To vprašanje so postavili znanstveniki z univerze Wisconsin v Madisonu. Po preučitvi razpoložljivih podatkov so sklenili: do zdaj ni nobenega očitnega in nedvoumno dokazanega primera obstoja "uspavane" živali. To ne izključuje te možnosti: avtorji poudarjajo, da so podatki o spanju za večino vrst izjemno redki.
Kljub temu pa razpoložljive informacije zadostujejo za precej nedvoumno sliko: niti ljudje, niti podgane, niti muhe s ščurki ne morejo živeti brez spanja. Vse kaže, da je spanje enaka univerzalna lastnost živih bitij kot dihanje ali dednost. Če pa je pomen slednjega danes očiten, se bodo morali znanstveniki nad vlogo spanja veliko potiti.
O čem sanja muha?
Nove tehnologije so znatno izboljšale našo sposobnost preučevanja spanja pri drugih vrstah. Na primer, sodobna oprema vam omogoča, da posnamete nekaj podobnega elektroencefalogramu … iz spalne muhe. V lanski študiji so raziskovalci z univerze v Queenslandu v Avstraliji pokazali, da muhe ne le spijo, ampak imajo tudi različne faze spanja - tako kot mi sami. Te faze se razlikujejo po globini in se med nočjo izmenjujejo, čas "globokega spanja" pa se poveča, če se muhe zelo utrudijo. Splošno gledano je muho spanje tako podobno kot naše, da znanstveniki razpravljajo o mogočnosti in glavni uporabi uporabe sadnih muh kot modela za preučevanje nepravilnosti, za katere je značilna motnja spanja.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Uganka pet: kaj je "jaz"?
Zadnja skrivnost, da se današnja biologija ruši, je povezana tudi z živčno dejavnostjo, vendar veliko bolj zapleteno kot spanje drozofile. Zavest je tako zapleten in težko določljiv proces, da ga je človek dolgo časa arogantno definiral kot svojo edinstveno lastnost.
Danes je edinstvenost človeške zavesti bolj filozofsko in ne biološko vprašanje. Ni dvoma, da je človek v razvoju svojega intelekta dosegel nepregledne višine. A je v zgradbi in delu naših možganov kaj kakovostno novega? Najverjetneje ne. Psi imajo čustva, opice se lahko preštejejo, delfini pa imajo celo nazor jezik z slovničnimi in kulturnimi razlikami v različnih delih sveta. Proučujejo živali, intuitivno razumemo, da se nekatere vsaj na daljavo zavedajo svojega lastnega obstoja. A še vedno ne razumemo v celoti, kaj točno stoji za to zavestjo. Preprosto povedano, ne vemo, kaj je zavest.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
V zadnjih letih je nevrobiologija dosegla neslutene višine. Imamo dobro predstavo o tem, kako delujejo živčne celice, kako se aktivirajo ali potisnejo in kako medsebojno delujejo. Vemo, kaj se spremeni v sestavi teh celic med učenjem in oblikovanjem spomina. Vemo, kateri deli možganov so odgovorni za to ali ono vedenje.
Toda vedeti, da je predfrontalna skorja nekako povezana s socialnimi interakcijami in nevroni v njej drug drugega bombardirajo s posebnimi molekulami in električnimi polji, sploh ne pomeni razumeti, kako se eden dobiva od drugega. Danes znanstveniki že zelo poskušajo simulirati delovanje najpreprostejših nevronskih mrež: obstoječi podatki lahko edinstveno opišejo "zavest" morda meduz. Znanost človeške zavesti še ne more "zasukati", ne glede na to, koliko si jo želijo ljubitelji znanstvene fantastike.