Ci sono solo cinque grandi misteri nella biologia moderna
Enigma uno: da dove viene la vita?
La biologia - tradotta dal greco "scienza della vita" - non ha idea da dove provenga l'oggetto del suo studio. La situazione non è unica: i fisici, ad esempio, non capiscono nemmeno molto bene come sia nata esattamente la costante di Planck o la forza di gravità. Ma solo in biologia, forse, le domande sull '"inizio degli inizi" hanno un significato così acuto.
Il genetista americano di origine sovietica Theodosius Dobrzhansky disse che nulla in questa scienza ha senso se non viene passato attraverso la teoria dell'evoluzione.
La scienza biologica si basa sulle discipline classiche e descrittive: zoologia, botanica, microbiologia, ecc. E in qualche modo è ovvio che lo scopo della ricerca di ciascuno di essi è il chiarimento più dettagliato dell'uno o dell'altro ramo dell'albero evolutivo.
Allo stesso tempo, negli ultimi cento anni, una parte enorme della biologia si è ramificata dalla scienza descrittiva originale e si è fusa con la medicina, formando un unico ramo biomedico. È caratterizzato da un approccio diverso, analitico. Lo scienziato non si limita a descrivere il topo, ma vi innesta nuovi geni e ne osserva il risultato. Ma perché siamo così interessati a topi, scimmie e moscerini della frutta? La risposta è semplice: grazie alla teoria dell'evoluzione, sappiamo che il lavoro dell'organismo del topo non è fondamentalmente diverso dal nostro lavoro. Di conseguenza, la biologia analitica ha molti più vantaggi pratici della biologia descrittiva.
Ma c'è una terza forma di biologia, che sta appena cominciando a emergere in questi giorni. Il biologo "analitico" di oggi modifica un organismo vivente per capire come funziona. Domani creerà organismi da zero per questo: questo è l'approccio della biologia sintetica.
In effetti, il modo più sicuro per comprendere la struttura di qualsiasi meccanismo è costruirlo da soli. Già oggi gli scienziati sono in grado di sintetizzare interi genomi in una provetta e farli funzionare in una cellula vivente. Questo esperimento mostra in modo inequivocabile quali geni sono necessari per l'esistenza della vita, il che significa che apre opportunità senza precedenti per la loro modifica, modificazione e sottomissione alla nostra volontà. Le scoperte della biologia analitica vengono fatte "dall'alto verso il basso": l'organismo viene scomposto nei componenti più elementari possibile. La biologia sintetica, invece, esplora gli esseri viventi "dal basso verso l'alto": l'intero organismo è composto da quanti più componenti di base possibili.
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Ma come iniziare a "sintetizzare la vita" se c'è così poco che si capisce nell'origine della vita? Nell'esempio di cui sopra con un genoma artificiale, gli scienziati lo hanno inserito in una cellula vivente, da cui è stato rimosso il proprio DNA. Pertanto, dei due componenti principali degli esseri viventi - la cellula ei geni che contiene - gli scienziati sono riusciti finora a sintetizzarne solo uno.
La vita è apparsa sulla Terra circa 3,5 - 4 miliardi di anni fa: per gli standard geologici, quasi immediatamente dopo la formazione del pianeta 4,5 miliardi di anni fa. Ma ogni seria "cronaca" della biologia odierna inizia molto più tardi: a quel tempo, le cellule già respiravano ossigeno, sintetizzando diligentemente migliaia di proteine, molte delle quali sono state a lungo unite in organismi multicellulari che già sapevano accoppiarsi, cercare attivamente cibo e persino memorizzare informazioni.
Per un biologo di sintesi rivestono un'importanza fondamentale le fasi più antiche dell'evoluzione, perdute nei secoli, durante le quali sono stati posti i principi fondamentali dell'organizzazione degli esseri viventi. Perché, ad esempio, le proteine sono composte esclusivamente da amminoacidi levogiri? La struttura chimica di queste "perle" di catene proteiche è tale che possono esistere in due forme specchiate, chiamate sinistra e destrogiro. Sembrerebbe che le proprietà chimiche di queste molecole non differiscano: sono costituite dagli stessi atomi alle stesse distanze l'una dall'altra. Tuttavia, tutti gli esseri viventi usano esclusivamente amminoacidi levogiri.
C'è un significato profondo in questo, o è un incidente che abbiamo ereditato dalla cellula "originale"? È possibile creare una "proteina destrogira"? Un organismo destrogiro? Saranno diversi dagli altri esseri viventi? Questi misteri sono direttamente collegati all'origine della vita. L'elenco potrebbe continuare: il fosforo è richiesto nel DNA? La vita è possibile senza una cellula? Quali sostanze chimiche sono necessarie per l'auto-replicazione? Le possibilità pratiche dietro queste domande sono infinite.
Anche se la vita è stata portata sulla Terra dallo spazio, come molti credono, ciò non cambia in alcun modo le questioni che devono affrontare la biologia evolutiva - e sintetica - del futuro. Se la vita non è apparsa sulla Terra, allora dove e, cosa più importante, come? È probabile che questo mistero rimarrà irrisolto, anche se nessuno sa quali scoperte porterà domani.
Tutti gli organismi che vivono oggi sul pianeta discendono da un antenato comune. Ma questo antenato possedeva già una cellula e tutti i suoi componenti di base. La scienza non sa nulla dei rami senza uscita dell'evoluzione prima della comparsa di un antenato comune, o se esistessero altri "alberi della vita" paralleli.
Indovinello due: da dove veniamo?
In qualunque forma la vita sia apparsa per la prima volta sulla Terra, dopo tre miliardi e mezzo di anni, l'evoluzione ha dato alla luce i diretti antenati della specie Homo sapiens - Homo sapiens.
L'origine di questa scimmia unica è molto meglio compresa rispetto all'evoluzione della maggior parte delle altre specie. Ma per ovvie ragioni, la nostra attenzione al problema è molto maggiore rispetto a quando applicata ad altri animali. Non siamo molto interessati a come gli antenati di arvicole o pernici migrarono attraverso i continenti. Ma quando si tratta dei nostri parenti più stretti, i loro viaggi intorno al mondo e le interazioni tra loro si trasformano in un vero detective storico.
Più recentemente, gli scienziati hanno costruito l'intera genealogia della razza umana sulle ossa. Scheletri trovati in diverse parti del mondo sono stati analizzati per caratteristiche come la struttura dei denti e il volume del cranio. Sulla base di questi dati, gli scheletri sono stati raggruppati in specie e, in base alle loro somiglianze e differenze, è stato costruito un quadro della graduale trasformazione di stupide scimmie in persone intelligenti con un bastone in mano.
Come è diventato chiaro negli ultimi anni, un'immagine del genere ha poco a che fare con la realtà. L'evoluzione degli antenati umani più vicini non è una trasformazione sequenziale di alcune specie in altre, ma un albero ramificato con molti rami senza uscita. Può essere estremamente difficile capire come questi rami siano collegati tra loro. Oggi, le ultime tecnologie per analizzare il DNA ottenuto da resti fossili ci aiutano in questo.
Ad esempio, stiamo assistendo a un dramma scientifico ricco di azione sul rapporto dei nostri diretti antenati - i primi Homo sapiens - con i loro cugini: Neanderthal e Denisovani.
Il lavoro ha creato l'uomo?
Fino al XX secolo, l'archeologia era una scienza piuttosto instabile, incline a vedere prove della grandezza umana in ogni osso trovato. Tra le ipotesi esili, ma del tutto infondate, della prima archeologia, spicca l'idea che la padronanza degli strumenti - un fenomeno presumibilmente senza precedenti in natura - determinasse direttamente l'aspetto delle persone. Echi di questa ipotesi si sentono nel nome della specie Homo habilis, una persona esperta che in precedenza era considerata il rappresentante più antico del genere Homo.
È evidente oggi che l'uso degli strumenti è tutt'altro che unico per l'uomo. Con pietre e bastoni, ad esempio, le antiche scimmie, i panantropi, erano ben controllate. Anche animali moderni, come corvi, delfini, elefanti e, naturalmente, molti primati usano strumenti. Gli scienziati discutono ancora su cosa abbia fatto esattamente gli antenati umani in piedi e sviluppare un enorme cervello, ma l'eccessiva romanticizzazione dell '"abilità" è oggi superata.
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Nel 2010, il genoma di Neanderthal è stato decodificato. Sulla base dell'analisi dei dati ottenuti, si è concluso che questa specie, precedentemente considerata indipendente, si è effettivamente incrociata attivamente con i nostri antenati e ha portato dall'1 al 4% delle informazioni genetiche nel DNA di un europeo moderno.
Non molto tempo prima - nel 2008 - è stato scoperto un altro "cugino" di un uomo moderno, un Denisovita. Anche lui non era contrario a colpire le giovani donne "ragionevoli": gli abitanti di alcune regioni del sud-est asiatico di oggi hanno il 3-5% del suo DNA.
Per qualche tempo, un'immagine piuttosto snella di questo triangolo amoroso si è allineata. In Africa, tre rami del genere Homo derivano da un antenato comune. I Neanderthal migrano in Europa, i Denisoviani in Asia. Un terzo ramo rimane in Africa. A poco a poco si trasforma in un Homo sapiens e fa un giro per il mondo, "raccogliendo" i geni corrispondenti a ovest e ad est dai "cugini" che già vi risiedono. In futuro, l'Homo sapiens sposta sia quelli che gli altri cugini dalla faccia della Terra (esattamente come - un'altra macchia bianca nella storia), ma conserva le "impronte" sia dei Neanderthal che dei Denisoviani.
Tuttavia, più recentemente, gli scienziati dell'Istituto di antropologia evolutiva di Lipsia sono riusciti a decifrare parte del genoma dell'antenato comune di tutti e tre i rami dell'evoluzione umana. Nonostante il fatto che questo antenato non fosse ancora neanderthaliano o denisoviano, i suoi resti furono trovati in Spagna - in base all'immagine accettata, risultò che dovette lasciare l'Africa e mettere piede sulla via della "neandertalizzazione".
Tuttavia, i risultati dell'analisi genetica sono stati scioccanti. Il DNA dell'uomo "spagnolo" si è rivelato molto più vicino al genoma del Denisovan, che non avrebbe dovuto essere affatto in Europa! Si scopre che l'intero quadro delle nostre relazioni con i Denisoviani e i Neanderthal è tutt'altro che un fatto indiscutibile.
L'esempio descritto è solo una delle tante questioni aperte della moderna paleoantropologia. Solo i fanatici religiosi oggi dubitano che l'uomo discenda da una scimmia. Ma cosa è successo esattamente ai nostri antenati un paio di milioni di anni, separando la discesa dagli alberi e la storia registrata - in generale, un mistero è ancora.
Sono state identificate 78 sostituzioni nucleotidiche che distinguono gli esseri umani moderni dai Neanderthal. Vengono indicate le funzioni di 5 geni caratterizzati da sostituzioni multiple. Alcuni di loro sono attivi nella pelle e nei capelli e sono chiaramente coinvolti nella creazione di un aspetto "umano" e nella percezione visiva (CAN15). Altri, ovviamente, sono associati alle caratteristiche mentali di una persona. Uno dei geni determina l'attività dello sperma - probabilmente si è evoluto sotto l'influenza della selezione sessuale.
Indovinello tre: che cos'è un virus?
Nel caso degli esseri umani, e in effetti con la maggior parte degli animali e delle piante moderni, si può almeno tracciare una connessione approssimativa con gli antenati evolutivi. I virologi non possono vantarsene. In effetti, la scienza ancora non capisce cosa sia un virus.
Il fatto è che questi microscopici parassiti acellulari non si adattano affatto al sistema del mondo vivente. Tutti gli esseri viventi a noi noti consistono e provengono da cellule. Il virus esiste anche solo con l'aiuto delle cellule: ha bisogno di un ospite per riprodursi. Se tutte le cellule scomparissero improvvisamente dal pianeta, i virus si trasformerebbero in bolle insignificanti di proteine e DNA, incapaci di qualsiasi funzione biologica.
Come è esistita una forma così strana di materia? Esistono due versioni principali.
Prima versione: i virus sono geni in fuga. Un tale scenario non è difficile da immaginare. Ci sono elementi nel nostro genoma chiamati trasposoni che possono tagliarsi da una parte del genoma e inserirsi in un'altra. A volte questi "geni mobili" portano con sé altri pezzi di DNA che si trovano nelle vicinanze. Si presume che miliardi di anni fa, uno di questi "geni mobili" abbia accidentalmente assemblato in un set il set minimo necessario per l'esistenza indipendente: a sinistra, ad esempio, c'era una "fotocopiatrice" necessaria per riprodurre il DNA, e a destra - un "temperino" con con cui potresti entrare in una nuova cella. Da quel momento in poi, il gene si trasformò in un virus e iniziò ad evolversi separatamente dall'organismo genitore.
Seconda versione: i virus sono celle semplificate. Un certo numero di scienziati oggi è propenso a questa versione principalmente a causa della scoperta di un numero di virus giganti di dimensioni paragonabili alle cellule. Secondo questa versione, i virus potrebbero essere stati un tempo organismi cellulari, ad esempio batteri. Questi batteri hanno imparato a parassitare su altre cellule più grandi. A poco a poco, si sono sbarazzati di tutto ciò che non era necessario, compreso il loro "equipaggiamento cellulare" - e così si sono trasformati in virus che contenevano solo pochi geni e "strumenti" necessari per infettare.
Questa ipotesi è supportata da precedenti storici. Qualcosa di simile è accaduto con i mitocondri - "stazioni energetiche" che compongono le nostre cellule. Un tempo erano batteri, ma poi si sono alleati con cellule più grandi, hanno perso la loro indipendenza e oggi ne sono parte integrante.
Come per l'origine della vita, la storia dei virus si perde nel corso dei secoli. I virus non hanno ossa o gusci, non lasciano fossili o tracce nelle rocce sedimentarie. È possibile che i virus siano apparsi in modo indipendente (possibilmente in modi diversi) più volte. È quasi certamente noto che tutti gli organismi viventi hanno avuto origine da una cellula. Non è ancora noto se questo si applichi ai virus "semi-vivi".
Esiste una terza versione dell'origine dei virus, secondo la quale sono sorti anche prima che apparissero i loro ospiti, le cellule. Secondo questa versione, originariamente esisteva la virosfera degli elementi genetici autoriproducenti. Alcuni di questi elementi hanno acquisito una struttura cellulare e alla fine hanno dato origine a tutti e tre i domini della vita. I virus, tuttavia, sono passati gradualmente al parassitismo e hanno continuato a evolversi parallelamente ai loro ospiti cellulari.
Enigma quattro: perché abbiamo bisogno di dormire?
Trascorriamo un terzo della nostra vita in un sogno e allo stesso tempo non ne capiamo assolutamente il motivo. Sappiamo qualcosa su ciò che accade in un sogno e in parte perché un sogno potrebbe apparire. Ma la scienza non può ancora rispondere alla domanda sul perché il sonno sia così necessario.
I ritmi circadiani in generale e il sonno in particolare sono ovviamente associati alla rotazione della Terra attorno al Sole. Qualunque siano le caratteristiche dell'animale, per quasi tutti loro c'è un momento della giornata in cui è più sicuro non fare nulla, ma semplicemente sedersi in silenzio e non sporgere. È abbastanza logico che il sonno possa essere apparso come un modo per risparmiare energia in questa "modalità standby". Il resto delle funzioni di sospensione, ad esempio elaborazione e rafforzamento della memoria, apparivano probabilmente come "componenti aggiuntivi" in questa modalità.
Ma questa teoria non spiega affatto perché il sonno sia così necessario. Il record scientificamente documentato per la privazione del sonno intenzionale (senza l'uso di stimolanti) è di 11 giorni e appartiene all'americano Randy Gardner. Anche un record così poco impressionante potrebbe finire in un disastro: nel 2012, un tifoso cinese che ha guardato Euro 2012 tutta la notte è morto a causa di una maratona insonne di durata simile. Le malattie che danneggiano i meccanismi del sonno sono estremamente pericolose. Una malattia ereditaria incurabile chiamata insonnia familiare fatale parla da sola: dopo la comparsa dei sintomi, i pazienti non vivono nemmeno un anno.
Proiezioni di aree del cervello che modificano l'attività dopo la privazione del sonno. Il verde indica una diminuzione dell'attività, il rosso - un aumento
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Ci sono animali che non dormono? Questa domanda è stata posta dagli scienziati dell'Università del Wisconsin a Madison. Dopo aver considerato i dati disponibili, hanno concluso: ad oggi non esiste un solo caso chiaramente e inequivocabilmente provato dell'esistenza di un animale "assonnato". Ciò non esclude questa possibilità: gli autori sottolineano che i dati sul sonno per la maggior parte delle specie sono estremamente scarsi.
Tuttavia, le informazioni disponibili sono sufficienti per un'immagine piuttosto univoca: né le persone, né i topi, né le mosche con gli scarafaggi possono vivere senza dormire. Tutto indica che il sonno è la stessa proprietà universale degli esseri viventi della respirazione o dell'eredità. Ma se il significato di quest'ultimo è ovvio oggi, gli scienziati dovranno sudare molto sul ruolo del sonno.
Cosa sogna una mosca?
Le nuove tecnologie hanno notevolmente migliorato la nostra capacità di studiare il sonno in altre specie. Ad esempio, l'attrezzatura moderna ti consente di riprendere qualcosa di simile a un elettroencefalogramma … da una mosca addormentata. In uno studio dell'anno scorso, i ricercatori dell'Università del Queensland in Australia hanno dimostrato che le mosche non solo dormono, ma hanno anche diverse fasi del sonno, proprio come noi. Queste fasi variano in profondità e si alternano durante la notte, con il tempo di “sonno profondo” che aumenta se le mosche si stancano molto. In generale, il sonno delle mosche è così simile al nostro che gli scienziati stanno discutendo con la forza e la maggior parte dell'uso dei moscerini della frutta come modello per lo studio delle anomalie caratterizzate da disturbi del sonno.
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Indovinello cinque: cos'è "io"?
L'ultimo mistero che la biologia odierna sta abbattendo è anche legato all'attività nervosa, ma molto più complessa del sonno della Drosophila. La coscienza è un processo così complesso e difficile da definire che per molto tempo una persona l'ha definita arrogantemente come una sua proprietà unica.
Oggi, l'unicità della coscienza umana è una questione filosofica piuttosto che biologica. Non c'è dubbio che una persona abbia raggiunto vette senza precedenti nello sviluppo del suo intelletto. Ma c'è qualcosa di qualitativamente nuovo nella struttura e nel lavoro del nostro cervello? Probabilmente no. I cani hanno emozioni, le scimmie possono contare e i delfini hanno persino una parvenza di linguaggio con differenze grammaticali e culturali in diverse parti del mondo. Studiando gli animali, capiamo intuitivamente che alcuni di loro sono almeno remotamente consapevoli della propria esistenza. Ma ancora non comprendiamo completamente cosa ci sia esattamente dietro questa consapevolezza. In poche parole, non sappiamo cosa sia la coscienza.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Negli ultimi anni la neurobiologia ha raggiunto vette senza precedenti. Abbiamo una buona idea di come funzionano le cellule nervose, di come vengono attivate o soppresse e di come interagiscono tra loro. Sappiamo cosa cambia nella composizione di queste cellule durante l'apprendimento e la formazione della memoria. Sappiamo quali parti del cervello sono responsabili di questo o quel comportamento.
Ma sapere che la corteccia prefrontale è in qualche modo collegata alle interazioni sociali, e che i neuroni in essa si bombardano a vicenda con molecole speciali e campi elettrici, non significa affatto capire come si ottengono gli uni dagli altri. Oggi gli scienziati stanno facendo i primissimi tentativi di simulare il funzionamento delle reti neurali più semplici: i dati esistenti possono descrivere in modo univoco la "coscienza" forse delle meduse. La scienza non è ancora in grado di "hackerare" la coscienza umana, non importa quanto lo vogliano gli amanti della fantascienza.
