Hanya terdapat lima misteri utama dalam biologi moden
Teka-teki satu: dari mana datangnya kehidupan?
Biologi - diterjemahkan dari bahasa Yunani "sains kehidupan" - tidak tahu dari mana subjek kajiannya berasal. Situasi ini tidak unik - ahli fizik, misalnya, juga tidak memahami dengan baik bagaimana tepatnya pemalar Planck atau gaya graviti timbul. Tetapi hanya dalam biologi, mungkin soalan mengenai "permulaan permulaan" mempunyai makna yang begitu akut.
Ahli genetik Amerika yang berasal dari Soviet Theodosius Dobrzhansky mengatakan bahawa tidak ada apa-apa dalam sains ini yang masuk akal jika tidak diteruskan melalui teori evolusi.
Sains biologi didasarkan pada disiplin klasik, deskriptif: zoologi, botani, mikrobiologi, dll. Dan entah bagaimana, tanpa perlu dikatakan bahawa tujuan penyelidikan masing-masing adalah penjelasan yang paling terperinci mengenai satu atau cabang lain dari pohon evolusi.
Pada masa yang sama, selama seratus tahun yang lalu, sebahagian besar biologi telah berpisah dari sains deskriptif yang asli dan bergabung dengan perubatan, membentuk satu cabang bioperubatan. Ia dicirikan oleh pendekatan yang berbeza, analitis. Saintis itu tidak hanya menggambarkan tetikus - dia mencantumkan gen baru ke dalamnya dan memerhatikan hasilnya. Tetapi mengapa kita begitu tertarik pada tikus, monyet dan lalat buah? Jawapannya mudah: berkat teori evolusi, kita tahu bahawa karya organisma tikus pada asasnya tidak berbeza dengan karya kita sendiri. Hasilnya, biologi analitik mempunyai faedah praktikal yang jauh lebih banyak daripada biologi deskriptif.
Tetapi ada bentuk ketiga dari biologi, yang baru mulai muncul akhir-akhir ini. Ahli biologi "analitis" hari ini mengubah organisma hidup untuk memahami bagaimana ia berfungsi. Esok dia akan mencipta organisma dari awal untuk ini - ini adalah pendekatan biologi sintetik.
Sesungguhnya, kaedah paling pasti untuk memahami struktur mana-mana mekanisme adalah dengan membinanya sendiri. Sudah hari ini, saintis dapat mensintesis keseluruhan genom dalam tabung uji dan menjadikannya berfungsi dalam sel hidup. Eksperimen ini secara jelas menunjukkan gen mana yang diperlukan untuk kewujudan kehidupan - yang bermaksud bahawa ia membuka peluang yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk pengubahsuaian, pengubahsuaian dan penyerahan kepada kehendak kita. Penemuan biologi analisis dibuat "dari atas ke bawah": organisma diuraikan menjadi komponen asas mungkin. Biologi sintetik, sebaliknya, meneroka makhluk hidup "dari bawah ke atas": keseluruhan organisma terdiri daripada sebanyak mungkin komponen asas.
Video promosi:
Tetapi bagaimana memulakan "mensintesis kehidupan" jika ada sedikit yang dapat difahami mengenai asal usul kehidupan? Dalam contoh yang disebutkan di atas dengan genom buatan, para saintis memasukkannya ke dalam sel hidup, dari mana DNAnya sendiri dikeluarkan. Oleh itu, dari dua komponen utama makhluk hidup - sel dan gen yang terdapat di dalamnya - saintis setakat ini berjaya mensintesis satu sahaja.
Kehidupan muncul di Bumi kira-kira 3,5 - 4 miliar tahun yang lalu: berdasarkan standard geologi, hampir sejurus selepas pembentukan planet ini 4,5 miliar tahun yang lalu. Tetapi beberapa "kronik" yang serius dari biologi hari ini bermula beberapa saat kemudian: pada masa itu, sel-sel sudah menghirup oksigen, dengan tekun mensintesis ribuan protein, banyak di antaranya telah lama disatukan menjadi organisma multisel yang sudah tahu bagaimana mengawan, mencari makanan secara aktif dan bahkan menghafal maklumat.
Bagi ahli biologi sintetik, tahap evolusi paling kuno, yang hilang dalam berabad-abad, sangat penting, di mana asas-asas asas mengatur makhluk hidup diletakkan. Contohnya, mengapa protein terdiri daripada asid amino levorotatory? Struktur kimia "manik" rantai protein ini sedemikian rupa sehingga dapat wujud dalam dua bentuk cermin, yang disebut kiri dan dekstrotori. Nampaknya sifat kimia molekul ini tidak berbeza: mereka terdiri daripada atom yang sama pada jarak yang sama antara satu sama lain. Walaupun begitu, semua makhluk hidup menggunakan asid amino levorotatory secara eksklusif.
Adakah makna yang mendalam dalam hal ini, atau adakah kemalangan yang kita warisi dari sel "asli"? Adakah mungkin untuk membuat "protein dextrorotatory"? Organisma dextrorotatory? Adakah mereka akan berbeza dengan makhluk hidup yang lain? Misteri ini secara langsung berkaitan dengan asal usul kehidupan. Senarai itu berterusan: adakah fosfor diperlukan dalam DNA? Adakah hidup mungkin tanpa sel? Bahan kimia apa yang diperlukan untuk replikasi diri? Kemungkinan praktikal di sebalik persoalan ini tidak berkesudahan.
Walaupun kehidupan dibawa ke Bumi dari angkasa, seperti yang diyakini banyak orang, ini sama sekali tidak akan mengubah persoalan yang menghadapi biologi evolusi - dan sintetik - masa depan. Sekiranya kehidupan tidak muncul di Bumi, maka di mana, dan yang paling penting - bagaimana? Kemungkinan misteri ini tetap tidak dapat diselesaikan - walaupun tidak ada yang tahu apa penemuan yang akan dibawa esok.
Semua organisma yang hidup di planet ini hari ini berasal dari satu nenek moyang yang sama. Tetapi nenek moyang ini sudah memiliki sel dan semua komponen asasnya. Sains tidak mengetahui apa-apa mengenai cabang evolusi buntu sebelum munculnya nenek moyang bersama, atau mengenai sama ada terdapat "pokok kehidupan" yang selari.
Teka-teki dua: dari mana kami datang?
Dalam bentuk apa pun kehidupan pertama kali muncul di Bumi, setelah tiga setengah miliar tahun, evolusi melahirkan nenek moyang langsung spesies Homo sapiens - Homo sapiens.
Asal monyet yang unik ini lebih difahami daripada evolusi kebanyakan spesies lain. Tetapi untuk alasan yang jelas, perhatian kita terhadap masalah ini jauh lebih tinggi daripada ketika digunakan pada haiwan lain. Kami tidak begitu berminat dengan bagaimana nenek moyang voles atau partridges berhijrah ke seluruh benua. Tetapi ketika berhubungan dengan saudara terdekat kita, perjalanan mereka ke seluruh dunia dan interaksi antara satu sama lain menjadi detektif sejarah yang sebenar.
Baru-baru ini, para saintis telah membina keseluruhan salasilah umat manusia pada tulang. Kerangka yang terdapat di berbagai belahan dunia dianalisis untuk ciri seperti struktur gigi dan isi tengkorak. Berdasarkan data ini, kerangka dikelompokkan menjadi spesies, dan berdasarkan persamaan dan perbezaannya, gambar transformasi monyet bodoh secara beransur-ansur menjadi orang pintar dengan tongkat di tangan mereka dibina.
Seperti yang jelas dalam beberapa tahun kebelakangan ini, gambaran seperti itu tidak ada hubungannya dengan kenyataan. Evolusi nenek moyang manusia yang terdekat bukanlah transformasi berurutan dari beberapa spesies menjadi spesies lain, tetapi pohon yang bercabang dengan banyak ranting buntu. Sangat sukar untuk memahami bagaimana cabang-cabang ini saling berhubungan. Hari ini, teknologi terkini untuk menganalisis DNA yang diperoleh daripada fosil tetap membantu kita dalam hal ini.
Sebagai contoh, kita menyaksikan drama ilmiah yang penuh aksi mengenai hubungan nenek moyang langsung kita - Homo sapiens awal - dengan sepupu mereka: Neanderthal dan Denisovans.
Adakah buruh mencipta manusia?
Sehingga abad ke-20, arkeologi adalah sains yang agak goyah, cenderung melihat bukti kehebatan manusia di setiap tulang yang dijumpai. Di antara hipotesis arkeologi awal yang langsing, tetapi sama sekali tidak berasas, ideanya menonjol bahawa penguasaan alat - fenomena yang diduga belum pernah terjadi sebelumnya - secara langsung menentukan penampilan orang. Gema hipotesis ini didengar atas nama spesies Homo habilis - orang yang mahir yang sebelumnya dianggap sebagai wakil paling kuno dari genus Homo.
Sudah terbukti hari ini bahawa penggunaan alat jauh dari keunikan manusia. Dengan batu dan tongkat, misalnya, monyet kuno - pananthropes, dikawal dengan baik. Haiwan moden, seperti gagak, lumba-lumba, gajah dan, tentu saja, banyak primata juga menggunakan alat. Para saintis masih berdebat mengenai apa yang sebenarnya menjadikan nenek moyang manusia berdiri di atas kaki mereka dan mengembangkan otak yang besar, tetapi romantik "keterampilan" yang berlebihan sudah ketinggalan zaman sekarang.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
Pada tahun 2010, genom Neanderthal dinyahkod. Berdasarkan analisis data yang diperoleh, dapat disimpulkan bahawa spesies ini, yang sebelumnya dianggap bebas, sebenarnya secara aktif berkawan dengan nenek moyang kita dan membawa 1 hingga 4% maklumat genetik ke dalam DNA orang Eropah moden.
Tidak lama sebelum itu - pada tahun 2008 - seorang "sepupu" seorang lelaki moden, seorang Denisovite, ditemui. Dia juga tidak enggan memukul wanita muda yang "masuk akal": penduduk hari ini di beberapa wilayah di Asia Tenggara memiliki 3 - 5% DNAnya yang tersisa.
Untuk beberapa ketika, gambar segitiga cinta yang agak langsing ini berbaris. Di Afrika, tiga cabang genus Homo muncul dari nenek moyang yang sama. Neanderthal berhijrah ke Eropah, Denisovans ke Asia. Cawangan ketiga kekal di Afrika. Dia secara beransur-ansur berubah menjadi Homo sapiens dan berjalan-jalan di seluruh dunia, "mengambil" gen yang sesuai di barat dan timur dari "sepupu" yang sudah tinggal di sana. Pada masa akan datang, Homo sapiens memindahkan kedua-dua mereka dan sepupu lain dari muka Bumi (bagaimana sebenarnya - satu lagi titik putih dalam sejarah), tetapi mengekalkan "jejak" kedua Neanderthal dan Denisovans.
Walau bagaimanapun, baru-baru ini, para saintis dari Institut Antropologi Evolusi di Leipzig telah berjaya menguraikan sebahagian genom dari nenek moyang bersama ketiga cabang evolusi manusia. Walaupun nenek moyang ini belum menjadi Neanderthal atau Denisovan, jenazahnya ditemui di Sepanyol - berdasarkan gambar yang diterima, ternyata dia harus meninggalkan Afrika dan menjejakkan kaki ke jalan "neandertalisasi".
Namun, hasil analisis genetik mengejutkan. DNA lelaki "Sepanyol" ternyata jauh lebih dekat dengan genom Denisovan, yang semestinya tidak ada di Eropah sama sekali! Ternyata keseluruhan gambaran hubungan kita dengan Denisovans dan Neanderthal jauh dari fakta yang tidak dapat dipertikaikan.
Contoh yang dijelaskan adalah salah satu daripada banyak persoalan terbuka mengenai paleoanthropologi moden. Hanya peminat agama hari ini yang meragui bahawa manusia berasal dari monyet. Tetapi apa yang sebenarnya berlaku kepada nenek moyang kita beberapa juta tahun, yang memisahkan keturunan dari pokok-pokok dan sejarah yang tercatat - pada umumnya, masih ada misteri.
78 penggantian nukleotida telah dikenal pasti yang membezakan manusia moden dengan Neanderthal. Fungsi 5 gen yang dicirikan oleh beberapa penggantian ditunjukkan. Sebahagian daripada mereka aktif dalam kulit dan rambut, dan jelas terlibat dalam penciptaan "manusia" penampilan dan persepsi visual (CAN15). Yang lain, jelas, berkaitan dengan ciri mental seseorang. Salah satu gen menentukan aktiviti sperma - mungkin, ia berkembang di bawah pengaruh pemilihan seksual.
Teka-teki tiga: apa itu virus?
Dalam kes manusia, dan memang dengan kebanyakan haiwan dan tumbuhan moden, seseorang sekurang-kurangnya dapat menjalin hubungan dengan nenek moyang evolusi. Virologi tidak boleh membanggakan perkara ini. Sebenarnya, sains masih belum memahami apa itu virus.
Faktanya ialah parasit aselular mikroskopik ini sama sekali tidak masuk ke dalam sistem kehidupan. Semua makhluk hidup yang diketahui oleh kita terdiri dan berasal dari sel. Virus ini hanya wujud dengan bantuan sel: ia memerlukan host untuk membiaknya sendiri. Sekiranya semua sel tiba-tiba hilang dari planet ini, maka virus akan berubah menjadi gelembung protein dan DNA yang tidak bermakna, tidak mampu melakukan sebarang fungsi biologi.
Bagaimanakah wujud suatu bentuk perkara yang pelik? Terdapat dua versi utama.
Versi pertama: virus adalah gen pelarian. Senario sedemikian tidak sukar dibayangkan. Terdapat unsur-unsur dalam genom kita yang disebut transposon yang dapat memotong diri mereka dari satu bahagian genom dan memasukkannya ke bahagian lain. Kadang kala "gen mudah alih" ini membawa DNA kepingan lain yang ada di kawasan itu. Diandaikan bahawa berbilion tahun yang lalu, salah satu "gen mudah alih" ini secara tidak sengaja dipasang dalam satu set set minimum yang diperlukan untuk kewujudan bebas: di sebelah kiri, misalnya, ada "mesin penyalin" yang diperlukan untuk menghasilkan semula DNA, dan di sebelah kanan - "penknife" dengan dengan mana anda boleh masuk ke sel baru. Sejak saat itu, gen itu berubah menjadi virus dan mula berkembang secara berasingan dari organisma induk.
Versi kedua: virus adalah sel yang dipermudahkan. Sejumlah saintis hari ini cenderung pada versi ini terutama disebabkan oleh penemuan sejumlah virus raksasa yang sebanding dengan sel. Menurut versi ini, virus mungkin pernah menjadi organisma selular - misalnya, bakteria. Bakteria ini telah belajar parasit pada sel lain yang lebih besar. Secara beransur-ansur, mereka menyingkirkan segala yang tidak perlu, termasuk "peralatan selular" mereka sendiri - dan dengan itu berubah menjadi virus yang hanya menyimpan beberapa gen dan "alat" yang diperlukan untuk jangkitan.
Hipotesis ini disokong oleh preseden sejarah. Perkara serupa berlaku dengan mitokondria - "stesen tenaga" yang membentuk sel kita. Dulu mereka bakteria, tetapi kemudian mereka bersekutu dengan sel yang lebih besar, kehilangan kebebasan mereka dan hari ini mereka adalah bahagian yang tidak terpisahkan dari mereka.
Seperti asal usul kehidupan, sejarah virus hilang selama berabad-abad. Virus tidak mempunyai tulang atau kerang, mereka tidak meninggalkan fosil atau jejak di batuan sedimen. Ada kemungkinan virus muncul secara bebas (mungkin dengan cara yang berbeza) beberapa kali. Sudah pasti diketahui bahawa semua organisma hidup berasal dari satu sel. Adakah ini berlaku untuk virus "semi-live" masih belum diketahui.
Terdapat versi ketiga dari asal virus, yang mana ia muncul bahkan sebelum host, sel mereka muncul. Menurut versi ini, virosfera unsur genetik yang dihasilkan semula pada asalnya wujud. Sebilangan elemen ini memperoleh struktur selular dan akhirnya menimbulkan ketiga-tiga domain kehidupan. Virus, bagaimanapun, secara beransur-ansur berpindah ke parasitisme dan terus berkembang selari dengan inang selular mereka.
Teka-teki empat: mengapa kita memerlukan tidur?
Kita menghabiskan sepertiga hidup kita dalam mimpi - dan pada masa yang sama kita sama sekali tidak faham mengapa. Kami tahu sesuatu tentang apa yang berlaku dalam mimpi, dan sebahagian mengapa mimpi itu dapat muncul. Tetapi sains belum dapat menjawab persoalan mengapa tidur sangat diperlukan.
Irama sirkadian pada amnya dan tidur khususnya jelas berkaitan dengan putaran Bumi di sekitar Matahari. Apa pun ciri-ciri haiwan itu, bagi hampir semua dari mereka ada waktu di mana lebih selamat untuk tidak melakukan apa-apa, tetapi hanya duduk diam dan tidak melekat. Adalah sangat logik bahawa tidur boleh muncul sebagai cara untuk menjimatkan tenaga dalam "mod siap sedia" ini. Fungsi tidur yang selebihnya - misalnya, memproses dan mengeras memori - mungkin muncul sebagai "tambahan" melalui mod ini.
Tetapi teori ini sama sekali tidak menjelaskan mengapa tidur sangat diperlukan. Rekod yang didokumentasikan secara saintifik untuk kekurangan tidur yang disengajakan (tanpa penggunaan perangsang) adalah 11 hari dan menjadi milik Randy Gardner dari Amerika. Malah rekod yang tidak begitu mengagumkan itu boleh berakhir dengan bencana: pada tahun 2012, seorang peminat bola sepak China yang menyaksikan Euro 2012 sepanjang malam meninggal dunia kerana maraton tanpa tidur yang sama. Penyakit yang merosakkan mekanisme tidur sangat berbahaya. Gangguan keturunan yang tidak dapat disembuhkan yang disebut Fatal Familial Insomnia bercakap dengan sendirinya: Selepas bermulanya gejala, pesakit tidak hidup walaupun setahun.
Unjuran kawasan otak yang mengubah aktiviti selepas kurang tidur. Hijau menunjukkan penurunan aktiviti, merah - peningkatan
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Adakah terdapat haiwan yang tidak tidur? Soalan ini diajukan oleh saintis dari University of Wisconsin di Madison. Setelah mempertimbangkan data yang ada, mereka menyimpulkan: tidak ada satu pun kes yang jelas dan jelas mengenai kewujudan haiwan "mengantuk" hingga kini. Ini tidak mengecualikan kemungkinan ini: penulis menekankan bahawa data mengenai tidur bagi kebanyakan spesies sangat jarang.
Walaupun begitu, maklumat yang ada cukup untuk gambaran yang tidak jelas: baik orang, tikus, atau lalat dengan lipas tidak dapat hidup tanpa tidur. Segala-galanya menunjukkan bahawa tidur adalah harta sejagat makhluk hidup yang sama seperti pernafasan atau keturunan. Tetapi jika makna yang terakhir itu jelas hari ini, maka para saintis harus banyak berkeringat kerana peranan tidur.
Apa impian lalat?
Teknologi baru telah meningkatkan kemampuan kita untuk mengkaji tidur pada spesies lain. Sebagai contoh, peralatan moden membolehkan anda menembak sesuatu yang serupa dengan electroencephalogram … dari lalat tidur. Dalam satu kajian tahun lalu, para penyelidik di University of Queensland di Australia menunjukkan bahawa terbang tidak hanya tidur, tetapi juga mempunyai fasa tidur yang berbeza - seperti kita sendiri. Fasa ini bervariasi dalam dan bergantian pada waktu malam, dengan waktu "tidur nyenyak" meningkat jika lalat sangat letih. Secara umum, tidur lalat mirip dengan kita sehingga para saintis membincangkan dengan kekuatan dan utama penggunaan lalat buah sebagai model untuk mengkaji kelainan yang dicirikan oleh gangguan tidur.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Teka-teki lima: apa itu "I"?
Misteri terakhir yang dipecahkan oleh biologi hari ini juga berkaitan dengan aktiviti saraf, tetapi jauh lebih kompleks daripada tidur Drosophila. Kesedaran adalah suatu proses yang rumit dan sukar untuk ditentukan sehingga sejak sekian lama seseorang dengan sombong mendefinisikannya sebagai miliknya yang unik.
Hari ini, keunikan kesedaran manusia adalah persoalan falsafah dan bukan biologi. Tidak ada keraguan bahawa seseorang telah mencapai tahap yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam pengembangan inteleknya. Tetapi adakah sesuatu yang baru secara kualitatif dalam struktur dan kerja otak kita? Kemungkinan besar tidak. Anjing mempunyai emosi, monyet dapat dihitung, dan lumba-lumba bahkan mempunyai persamaan bahasa dengan perbezaan tatabahasa dan budaya di berbagai belahan dunia. Dengan mengkaji haiwan, kita secara intuitif memahami bahawa sebilangan dari mereka sekurang-kurangnya menyedari keberadaan mereka sendiri. Tetapi kita masih belum memahami sepenuhnya apa sebenarnya di sebalik kesedaran ini. Ringkasnya, kita tidak tahu apa itu kesedaran.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, neurobiologi telah mencapai tahap yang belum pernah terjadi sebelumnya. Kami mempunyai idea yang baik tentang bagaimana sel-sel saraf berfungsi, bagaimana mereka diaktifkan atau ditekan, dan bagaimana mereka berinteraksi antara satu sama lain. Kita tahu apa perubahan komposisi sel-sel ini semasa pembelajaran dan pembentukan memori. Kita tahu bahagian otak mana yang bertanggungjawab untuk tingkah laku ini atau itu.
Tetapi mengetahui bahawa korteks prefrontal entah bagaimana berkaitan dengan interaksi sosial, dan neuron di dalamnya saling membombardir dengan molekul khas dan medan elektrik, sama sekali tidak bermaksud memahami bagaimana seseorang mendapat yang lain. Hari ini, saintis membuat percubaan pertama untuk mensimulasikan operasi rangkaian saraf paling sederhana: data yang ada secara unik dapat menggambarkan "kesedaran" mungkin ubur-ubur. Ilmu pengetahuan belum dapat "meretas" kesedaran manusia, tidak kira berapa banyak pencinta fiksyen ilmiah yang menginginkannya.
