Mūsdienu bioloģijā ir tikai pieci galvenie noslēpumi
Viena mīkla: no kurienes nāca dzīve?
Bioloģijai, kas tulkota no grieķu valodas “dzīves zinātne”, nav ne mazākās nojausmas, no kurienes nāk tās pētījuma priekšmets. Situācija nav unikāla - piemēram, fiziķi arī ļoti labi nesaprot, kā tieši radās Planka konstante vai gravitācijas spēks. Bet tikai bioloģijā, iespējams, jautājumiem par "sākumu sākumu" ir tik akūta nozīme.
Padomju izcelsmes amerikāņu ģenētiķis Teodosišs Dobržanskis sacīja, ka nekas šajā zinātnē nav jēga, ja tas netiek nodots evolūcijas teorijā.
Bioloģijas zinātnes pamatā ir klasiskās, aprakstošās disciplīnas: zooloģija, botānika, mikrobioloģija utt. Un kaut kā pats par sevi saprotams, ka katra no tiem izpētes mērķis ir visdetalizētāks evolūcijas koka filiāles precizējums.
Tajā pašā laikā pēdējos simts gados milzīga bioloģijas daļa ir atdalījusies no oriģinālās, aprakstošās zinātnes un apvienojās ar medicīnu, veidojot vienotu biomedicīnas nozari. To raksturo atšķirīga, analītiska pieeja. Zinātnieks ne tikai apraksta peli - viņš tajā uzpotē jaunus gēnus un novēro rezultātu. Bet kāpēc mūs tik ļoti interesē peles, pērtiķi un augļu mušas? Atbilde ir vienkārša: pateicoties evolūcijas teorijai, mēs zinām, ka peles organisma darbs principā neatšķiras no mūsu pašu darba. Tā rezultātā analītiskajai bioloģijai ir daudz vairāk praktisku ieguvumu nekā aprakstošajai bioloģijai.
Bet ir arī trešā veida bioloģija, kas mūsdienās tikai sāk parādīties. Mūsdienu “analītiskais” biologs modificē dzīvo organismu, lai saprastu, kā tas darbojas. Rīt viņš no tā izveidos organismus no nulles - tāda ir sintētiskās bioloģijas pieeja.
Patiešām, drošākais veids, kā izprast jebkura mehānisma struktūru, ir pats to izveidot. Jau šodien zinātnieki mēģenē var sintezēt veselus genomus un likt tiem darboties dzīvā šūnā. Šis eksperiments viennozīmīgi parāda, kuri gēni ir nepieciešami dzīvības pastāvēšanai - tas nozīmē, ka tas paver vēl nebijušas iespējas to modificēšanai, modificēšanai un pakļaušanai mūsu gribai. Analītiskās bioloģijas atklājumi tiek veikti "no augšas uz leju": organisms tiek sadalīts pēc iespējas pamatkomponentos. No otras puses, sintētiskā bioloģija pēta dzīvās lietas "no apakšas uz augšu": viss organisms sastāv no pēc iespējas vairāk pamata sastāvdaļām.
Reklāmas video:
Bet kā sākt "dzīves sintezēšanu", ja dzīves sākumā ir tik maz, ko saprot? Iepriekš minētajā piemērā ar mākslīgo genomu zinātnieki to ievietoja dzīvā šūnā, no kuras tika noņemts paša DNS. Tādējādi no diviem galvenajiem dzīvo lietu komponentiem - šūnu un tajā esošajiem gēniem - zinātniekiem līdz šim ir izdevies sintezēt tikai vienu.
Dzīvība uz Zemes parādījās apmēram pirms 3,5 - 4 miljardiem gadu: pēc ģeoloģiskajiem standartiem, gandrīz tūlīt pēc planētas veidošanās pirms 4,5 miljardiem gadu. Bet jebkura nopietna mūsdienu bioloģijas "hronika" sākas daudz vēlāk: līdz tam laikam šūnas jau elpoja skābekli, centīgi sintezējot tūkstošiem olbaltumvielu, daudzas no tām jau sen ir apvienojušās daudzšūnu organismos, kas jau zināja, kā pāroties, aktīvi meklēt pārtiku un pat iegaumēt informāciju.
Sintētiskajam biologam ir ārkārtīgi svarīgi senākie evolūcijas posmi, zaudētie gadsimtiem ilgi, kuru laikā tika noteikti dzīvu lietu organizēšanas pamatprincipi. Kāpēc, piemēram, olbaltumvielas sastāv tikai no apgrieztām aminoskābēm? Šo olbaltumvielu ķēžu "lodītes" ķīmiskā struktūra ir tāda, ka tās var pastāvēt divos spoguļattēla veidos, ko sauc par kreiso un dekstrotorējošo. Varētu šķist, ka šo molekulu ķīmiskās īpašības neatšķiras: tās sastāv no vieniem un tiem pašiem atomiem vienādā attālumā viens no otra. Neskatoties uz to, visās dzīvajās lietās tiek izmantotas tikai virzošās aminoskābes.
Vai tam ir dziļa nozīme, vai arī tas ir nelaimes gadījums, ko mēs mantojām no “oriģinālās” šūnas? Vai ir iespējams izveidot "kustības samazināšanas olbaltumvielu"? Dekstrotējošs organisms? Vai viņi atšķirsies no citām dzīvām lietām? Šīs noslēpumi ir tieši saistīti ar dzīves izcelsmi. Saraksts turpinās: vai fosfors ir vajadzīgs DNS? Vai dzīve ir iespējama bez kameras? Kādas ķimikālijas ir vajadzīgas pašreplikācijai? Šo jautājumu praktiskās iespējas ir bezgalīgas.
Pat ja dzīvība uz Zemi tika atvesta no kosmosa, kā daudzi uzskata, tas nekādā veidā nemaina jautājumus, ar kuriem saskaras nākotnes evolucionārā un sintētiskā bioloģija. Ja dzīvība neparādījās uz Zemes, tad kur, un pats galvenais - kā? Visticamāk, ka šis noslēpums paliks neatrisināts - kaut arī neviens nezina, ko rīt atnesīs.
Visi organismi, kas dzīvo uz planētas, šodien cēlušies no viena kopīga senča. Bet šim senčam jau bija šūna un visas tās pamata sastāvdaļas. Zinātne neko nezina par evolūcijas strupceļa zariem pirms kopīga senča parādīšanās vai par to, vai bija citi, paralēli "dzīvības koki".
Otrā mīkla: no kurienes mēs esam nākuši?
Jebkurā formā dzīve pirmo reizi parādījās uz Zemes, pēc trīsarpus miljardiem gadu evolūcija dzemdēja tiešos Homo sapiens sugas senčus - Homo sapiens.
Šī unikālā pērtiķa izcelsme ir daudz labāk izprotama nekā vairuma citu sugu evolūcija. Bet acīmredzamu iemeslu dēļ mūsu uzmanība šim jautājumam ir daudz lielāka nekā tad, ja to piemēro citiem dzīvniekiem. Mūs ne īpaši interesē tas, kā pīļu vai patronu senči migrēja pa kontinentiem. Bet, kad runa ir par mūsu tuvākajiem radiniekiem, viņu ceļojumi pa pasauli un mijiedarbība savā starpā pārvēršas par īstu vēsturisku detektīvu.
Pavisam nesen zinātnieki visu cilvēces ģenealoģiju ir izveidojuši uz kauliem. Tika analizētas dažādās pasaules daļās atrasti skeleti, ņemot vērā tādas pazīmes kā zobu uzbūve un galvaskausa tilpums. Balstoties uz šiem datiem, skeleti tika grupēti sugās, un, balstoties uz to līdzībām un atšķirībām, tika uzbūvēts attēls par stulbu pērtiķu pakāpenisku pārveidošanu par gudriem cilvēkiem ar nūju rokās.
Kā kļuva skaidrs pēdējos gados, šādam attēlam ir maz sakara ar realitāti. Tuvāko cilvēku senču evolūcija nav dažu sugu secīga pārveidošana citās, bet gan sazarots koks ar daudziem strupceļa zariem. Var būt ārkārtīgi grūti precīzi saprast, kā šīs filiāles ir savstarpēji saistītas. Mūsdienās mums tajā palīdz jaunākās no fosilijas iegūto DNS analīzes tehnoloģijas.
Piemēram, mēs esam liecinieki rīcībai bagātā zinātniskā drāmā par mūsu tiešo senču - agrīno Homo sapiens - attiecībām ar brālēniem: Neandertāliešiem un Denisovaniem.
Vai darbs radīja cilvēku?
Līdz 20. gadsimtam arheoloģija bija diezgan satricinoša zinātne, kas sliecās uz katra atrastā kaula redzēt cilvēka diženuma pierādījumus. Starp slaidām, bet pilnīgi nepamatotām agrīnas arheoloģijas hipotēzēm izceļas ideja, ka instrumentu meistarība - it kā vēl nebijusi parādība dabā - tieši noteica cilvēku izskatu. Šīs hipotēzes atbalsis ir dzirdams Homo habilis sugas vārdā - prasmīga persona, kuru iepriekš uzskatīja par visseno Homo ģints pārstāvi.
Mūsdienās ir acīmredzams, ka instrumentu izmantošana cilvēkiem nav tālu no unikālas. Piemēram, ar akmeņiem un nūjām labi tika kontrolēti senie pērtiķi - pananthropes. Mūsdienu dzīvnieki, piemēram, kraukļi, delfīni, ziloņi un, protams, daudzi primāti izmanto arī instrumentus. Zinātnieki joprojām strīdas par to, kas tieši cilvēku senčiem lika stāvēt uz kājām un attīstīt milzīgas smadzenes, taču pārlieku lielā "prasmju" romantizēšana mūsdienās ir novecojusi.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
2010. gadā tika atkodēts neandertāliešu genoms. Balstoties uz iegūto datu analīzi, tika secināts, ka šī suga, kas agrāk tika uzskatīta par neatkarīgu, faktiski aktīvi interbējās ar mūsu senčiem un no 1 līdz 4% ģenētiskās informācijas ienesa mūsdienu eiropieša DNS.
Neilgi pirms tam - 2008. gadā - tika atklāts vēl viens mūsdienu cilvēka brālēns Denisovīts. Arī viņš nevēlējās trāpīt “saprātīgajām” jaunajām dāmām: dažu Dienvidaustrumu Āzijas reģionu šodienas iedzīvotājiem ir palikuši 3–5% viņa DNS.
Kādu laiku bija uzlikts diezgan plāns šī mīlas trīsstūra attēls. Āfrikā trīs Homo ģints zari rodas no kopīga senča. Neandertālieši migrē uz Eiropu, Denisovani - uz Āziju. Trešā filiāle paliek Āfrikā. Viņa pamazām pārvēršas par Homo sapiens un dodas pastaigā pa pasauli, "paņemot" atbilstošos gēnus rietumos un austrumos no tur jau dzīvojošajiem "brālēniem". Nākotnē Homo sapiens izspiež gan tos, gan citus brālēnus no Zemes (precīzi kā - vēl viens balts plankums vēsturē), taču saglabā gan neandertāliešu, gan Denisovānu "nospiedumus".
Tomēr nesen Leipcigas Evolūcijas antropoloģijas institūta zinātniekiem ir izdevies atšifrēt daļu no visiem trim cilvēka evolūcijas atzariem kopīgā senča genoma. Neskatoties uz to, ka šis sencis vēl nebija neandertālietis vai Denisovans, viņa mirstīgās atliekas tika atrastas Spānijā - balstoties uz pieņemto ainu, izrādījās, ka viņam nācās pamest Āfriku un doties uz “neandertalizācijas” ceļa.
Tomēr ģenētiskās analīzes rezultāti bija šokējoši. "Spāņu" vīrieša DNS izrādījās daudz tuvāk Denisovana genomam, kam Eiropā nemaz nevajadzēja atrasties! Izrādās, ka viss mūsu attiecību ar Denisovaniem un Neandertāliešiem attēls ir tālu no neapstrīdama fakta.
Aprakstītais piemērs ir tikai viens no daudzajiem mūsdienu paleoantropoloģijas jautājumiem. Tikai reliģiski fanātiķi mūsdienās šaubās, vai cilvēks cēlies no pērtiķa. Bet tas, kas tieši notika ar mūsu senčiem pāris miljonu gadu laikā, atdalot nolaišanos no kokiem un pierakstīto vēsturi, kopumā paliek noslēpums.
Ir identificēti 78 nukleotīdu aizvietojumi, kas atšķir mūsdienu cilvēkus no neandertāliešiem. Norādītas 5 gēnu funkcijas, kuras raksturo vairākas aizstāšanas. Daži no tiem aktīvi darbojas ādā un matos un ir skaidri iesaistīti "cilvēka" izskata un vizuālās uztveres veidošanā (CAN15). Acīmredzot citi ir saistīti ar personas garīgajām īpašībām. Viens no gēniem nosaka spermas aktivitāti - iespējams, tas attīstījās seksuālās atlases ietekmē.
Trešā mīkla: kas ir vīruss?
Cilvēku gadījumā, kā arī vairumā mūsdienu dzīvnieku un augu, vismaz aptuveni var izveidot saikni ar evolūcijas senčiem. Virologi ar to nevar lepoties. Patiesībā zinātne joprojām nesaprot, kas ir vīruss.
Fakts ir tāds, ka šie mikroskopiskie acellulārie parazīti vispār neiederas dzīvās pasaules sistēmā. Visas mums zināmās dzīvās lietas sastāv un nāk no šūnām. Vīruss pastāv arī tikai ar šūnu palīdzību: tam ir nepieciešams saimnieks, lai pats vairotos. Ja pēkšņi no planētas pazustu visas šūnas, vīrusi pārvērstos par bezjēdzīgiem olbaltumvielu un DNS burbuļiem, kas nespēj veikt nekādas bioloģiskās funkcijas.
Kā pastāvēja tik dīvaina matērijas forma? Ir divas galvenās versijas.
Pirmā versija: vīrusi ir bēguļojoši gēni. Šādu scenāriju nav grūti iedomāties. Mūsu genomā ir elementi, kurus sauc par transposoniem, kuri var izgriezt sevi no vienas genoma daļas un ievietot sevi citā. Dažreiz šie "mobilie gēni" ņem līdzi citus DNS gabalus, kas atrodas apkārtnē. Tiek pieņemts, ka pirms miljardiem gadu viens no šiem "mobilajiem gēniem" nejauši salika vienā komplektā minimālo komplektu, kas nepieciešams neatkarīgai eksistencei: piemēram, kreisajā pusē bija "kopēšanas mašīna", kas nepieciešama DNS reproducēšanai, bet labajā pusē - "penknife" ar ar kuru jūs varētu nokļūt jaunā kamerā. Kopš šī brīža gēns pārvērtās vīrusā un sāka attīstīties atsevišķi no mātes organisma.
Otrā versija: vīrusi ir vienkāršotas šūnas. Daudzi zinātnieki mūsdienās sliecas uz šo versiju galvenokārt tāpēc, ka ir atklāti vairāki milzu vīrusi, kuru izmērs ir salīdzināms ar šūnām. Saskaņā ar šo versiju vīrusi kādreiz varētu būt bijuši šūnu organismi - piemēram, baktērijas. Šīs baktērijas ir iemācījušās parazitēt uz citām, lielākām šūnām. Pamazām viņi atbrīvojās no visa nevajadzīgā, ieskaitot savu “šūnu aprīkojumu” - un tādējādi pārvērtās par vīrusiem, kas saglabāja tikai dažus gēnus un “instrumentus”, kas nepieciešami inficēšanai.
Šo hipotēzi apstiprina vēsturiskais precedents. Kaut kas līdzīgs notika ar mitohondrijiem - "enerģijas stacijām", kas veido mūsu šūnas. Kādreiz tās bija baktērijas, bet pēc tam izveidojās aliansē ar lielākām šūnām, zaudēja neatkarību un šodien ir neatņemama to sastāvdaļa.
Tāpat kā dzīvības izcelsme, gadsimtiem ilgi tiek zaudēta vīrusu vēsture. Vīrusiem nav kaulu vai čaumalu, tie neatstāj fosilijas vai pēdas nogulumiežos. Iespējams, ka vīrusi vairākas reizes parādījās neatkarīgi (iespējams, dažādos veidos). Gandrīz noteikti ir zināms, ka visi dzīvie organismi ir cēlušies no vienas šūnas. Vai tas attiecas uz "daļēji dzīviem" vīrusiem, joprojām nav zināms.
Ir trešā vīrusu izcelsmes versija, saskaņā ar kuru tie radās pat pirms viņu saimnieku, šūnu parādīšanās. Saskaņā ar šo versiju sākotnēji pastāvēja patstāvīgu ģenētisko elementu virosfēra. Daži no šiem elementiem ieguva šūnu struktūru un galu galā radīja visas trīs dzīves jomas. Vīrusi tomēr pakāpeniski pārcēlās uz parazītismu un turpināja attīstīties paralēli saviem šūnu saimniekiem.
Četras mīkla: kāpēc mums ir nepieciešams miegs?
Mēs pavadām trešdaļu savas dzīves sapnī - un tajā pašā laikā mēs absolūti nesaprotam, kāpēc. Mēs zinām kaut ko par to, kas notiek sapnī, un daļēji par to, kāpēc sapnis varētu parādīties. Bet zinātne vēl nevar atbildēt uz jautājumu, kāpēc miegs ir tik nepieciešams.
Diennakts ritmi kopumā un īpaši miegs acīmredzami ir saistīti ar Zemes rotāciju ap Sauli. Neatkarīgi no dzīvnieka īpašībām, gandrīz jebkuram no tiem ir diennakts laiks, kad ir drošāk neko nedarīt, bet vienkārši sēdēt mierīgi un nelīst. Diezgan loģiski, ka miegs varēja parādīties kā enerģijas taupīšanas veids šajā “gaidīšanas režīmā”. Pārējās miega funkcijas - piemēram, atmiņas apstrāde un pastiprināšana - šajā režīmā, iespējams, parādījās kā “papildinājumi”.
Bet šī teorija nepavisam neizskaidro, kāpēc miegs ir tik nepieciešams. Zinātniski dokumentēts ieraksts par apzinātu miega trūkumu (bez stimulantu lietošanas) ir 11 dienas un pieder amerikānim Randijam Gardneram. Pat šāds ne tik iespaidīgs ieraksts varētu beigties ar katastrofu: 2012. gadā Ķīnas futbola līdzjutējs, kurš visu nakti vēroja Euro 2012, nomira no līdzīga ilguma negulēta maratona. Slimības, kas bojā miega mehānismus, ir ārkārtīgi bīstamas. Neārstējams iedzimts traucējums, ko sauc par fatālu ģimenes bezmiegu, pats par sevi runā: Pēc simptomu parādīšanās pacienti nedzīvo pat gadu.
Smadzeņu zonu projekcijas, kas maina aktivitāti pēc miega trūkuma. Zaļš apzīmē aktivitātes samazināšanos, sarkans - palielinājumu
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Vai ir dzīvnieki, kas negulē? Šo jautājumu uzdeva zinātnieki no Viskonsinas Universitātes Madisonā. Apsverot pieejamos datus, viņi secināja: līdz šim nav bijis neviens skaidri un nepārprotami pierādīts gadījums, kad dzīvnieks ir “miegains”. Tas neizslēdz šo iespēju: autori uzsver, ka dati par miegu lielākajai daļai sugu ir ārkārtīgi maz.
Neskatoties uz to, pieejamā informācija ir pietiekama diezgan nepārprotamai bildei: ne cilvēki, ne žurkas, ne pat mušas ar prusaku nevar dzīvot bez miega. Viss norāda, ka miegs ir tāds pats dzīvu lietu universāls īpašums kā elpošana vai iedzimtība. Bet, ja pēdējā jēga mūsdienās ir acīmredzama, tad zinātniekiem nāksies daudz svīst par miega lomu.
Par ko muša sapņo?
Jaunās tehnoloģijas ir ievērojami uzlabojušas mūsu spēju pētīt citu sugu miegu. Piemēram, mūsdienu aprīkojums ļauj no miega muša nošaut kaut ko līdzīgu elektroencefalogrammai …. Pagājušajā gadā veiktā pētījumā Austrālijas Kvīnslendas universitātes pētnieki parādīja, ka mušas ne tikai neguļ, bet arī atšķirīgas miega fāzes - tāpat kā mēs paši. Šīs fāzes atšķiras dziļumā un mainās naktī, palielinoties “dziļā miega” laikam, ja mušas ļoti nogurst. Vispārīgi runājot, mušu miegs ir tik līdzīgs mūsējam, ka zinātnieki apspriež iespējamo un liek augļu mušas izmantot par paraugu tādu patoloģiju izpētei, kurām raksturīgi miega traucējumi.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Piektā mīkla: kas ir “es”?
Pēdējais noslēpums, ko mūsdienu bioloģija sagrauj, ir saistīts arī ar nervu darbību, taču daudz sarežģītāku nekā Drosofila miegs. Apziņa ir tik sarežģīts un grūti definējams process, ka ilgu laiku cilvēks augstprātīgi to definēja kā savu unikālo īpašumu.
Mūsdienās cilvēka apziņas unikalitāte ir drīzāk filozofisks, nevis bioloģisks jautājums. Nav šaubu, ka cilvēks sava intelekta attīstībā ir sasniedzis vēl nebijušus augstumus. Bet vai mūsu smadzeņu struktūrā un darbā ir kaut kas kvalitatīvi jauns? Visticamāk, ka nē. Suņiem ir emocijas, pērtiķi var rēķināties, un delfīniem pat ir valodas līdzība ar gramatikas un kultūras atšķirībām dažādās pasaules daļās. Pētot dzīvniekus, mēs intuitīvi saprotam, ka daži no viņiem vismaz attālināti apzinās savu eksistenci. Bet mēs joprojām pilnībā nesaprotam, kas tieši ir šīs izpratnes pamatā. Vienkārši sakot, mēs nezinām, kas ir apziņa.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Pēdējos gados neirobioloģija ir sasniegusi nepieredzētus augstumus. Mums ir labs priekšstats par to, kā darbojas nervu šūnas, kā tās tiek aktivizētas vai nomāktas un kā tās mijiedarbojas viena ar otru. Mēs zinām, kas mainās šo šūnu sastāvā mācīšanās un atmiņas veidošanās laikā. Mēs zinām, kuras smadzeņu daļas ir atbildīgas par šo vai citu uzvedību.
Bet zināt, ka prefrontālais garozs kaut kādā veidā ir saistīts ar sociālo mijiedarbību un tajā esošie neironi viens otru bombardē ar īpašām molekulām un elektriskajiem laukiem, nepavisam nenozīmē saprast, kā viens nokļūst no otra. Mūsdienās zinātnieki veic pirmos mēģinājumus simulēt vienkāršāko neironu tīklu darbību: esošie dati var unikāli aprakstīt varbūt medūzu "apziņu". Zinātne vēl nespēj "sakapāt" cilvēka apziņu neatkarīgi no tā, cik ļoti zinātniskās fantastikas cienītāji to vēlas.