Kaasaegses bioloogias on ainult viis peamist saladust
Mõista üks: kust tuli elu?
Bioloogial - tõlgituna kreeka keelest "eluteadus" - pole aimugi, kust selle uurimuse objekt pärineb. Olukord pole ainulaadne - näiteks ka füüsikud ei saa väga hästi aru, kuidas täpselt tekkis Plancki konstant või gravitatsioonijõud. Kuid ainult bioloogias on võib-olla küsimustel "alguse algus" nii äge tähendus.
Nõukogude päritolu ameerika geneetik Theodosius Dobrzhansky ütles, et miski selles teaduses pole mõttekas, kui seda ei edastata evolutsiooniteooria kaudu.
Bioloogiateadus põhineb klassikalistel kirjeldavatel erialadel: zooloogia, botaanika, mikrobioloogia jne. Ja millegipärast on ütlematagi selge, et igaühe neist uurimise eesmärk on evolutsioonipuu ühe või teise haru kõige täpsem selgitamine.
Samal ajal on viimase saja aasta jooksul hiiglaslik osa bioloogiast hargnenud algsest kirjeldavast teadusest ja sulandunud meditsiini, moodustades ühe biomeditsiini haru. Seda iseloomustab erinev lähenemisviis, analüütiline. Teadlane ei kirjelda lihtsalt hiirt - ta pookib sellesse uusi geene ja jälgib tulemust. Kuid miks huvitavad meid nii hiired, ahvid kui ka puuviljakärbsed? Vastus on lihtne: tänu evolutsiooniteooriale teame, et hiireorganismi töö ei erine põhimõtteliselt meie enda tööst. Selle tulemusel on analüütilisel bioloogial palju rohkem praktilist kasu kui kirjeldaval bioloogial.
Kuid on olemas ka kolmas bioloogia vorm, mis alles tänapäeval hakkab tekkima. Tänapäevane “analüütiline” bioloog modifitseerib elusorganismi mõistmaks, kuidas see töötab. Homme loob ta selle jaoks organismid nullist - see on sünteetilise bioloogia lähenemisviis.
Tõepoolest, kindlaim viis mis tahes mehhanismi ülesehituse mõistmiseks on selle ise üles ehitada. Juba täna suudavad teadlased katseklaasis sünteesida terveid genoome ja panna need elusas rakus töötama. See eksperiment näitab ühemõtteliselt, millised geenid on elu eksisteerimiseks vajalikud - mis tähendab, et see avab enneolematud võimalused nende muutmiseks, modifitseerimiseks ja meie tahtele allumiseks. Analüütilise bioloogia avastused tehakse "ülalt alla": organism lagundatakse võimalikult põhikomponentideks. Sünteetiline bioloogia seevastu uurib elusaid asju "alt üles": kogu organism koosneb võimalikult paljudest põhikomponentidest.
Reklaamvideo:
Kuid kuidas alustada "elu sünteesimist", kui seda on nii vähe, mida elu päritolust mõistetakse? Ülalmainitud kunstliku genoomiga näites panid teadlased selle elavasse rakku, millest eemaldati tema enda DNA. Nii on elusate asjade kahest põhikomponendist - rakus ja selles sisalduvatest geenidest - teadlastel seni õnnestunud sünteesida ainult üks.
Elu ilmus Maal umbes 3,5 - 4 miljardit aastat tagasi: geoloogiliste standardite järgi peaaegu kohe pärast planeedi moodustumist 4,5 miljardit aastat tagasi. Kuid iga tõsine tänapäeva bioloogia "kroonika" algab palju hiljem: selleks ajaks olid rakud juba hapnikku hingamas, sünteesides usinalt tuhandeid valke, paljud neist on juba ammu ühendatud mitmerakulisteks organismideks, kes juba teadsid, kuidas paarituda, aktiivselt toitu otsida ja isegi teavet meelde jätta.
Sünteetilise bioloogi jaoks on põhiline tähtsus sajandite jooksul kadunud evolutsiooni kõige iidsematel etappidel, mille jooksul pandi paika elusolendite korraldamise põhiprintsiibid. Miks koosnevad näiteks valgud ainult pöörlevatest aminohapetest? Nende valguahelate "helmeste" keemiline struktuur on selline, et need võivad eksisteerida kahes peegelvormis, mida nimetatakse vasakuks ja pöörlevaks. Näib, et nende molekulide keemilised omadused ei erine: nad koosnevad samadest aatomitest üksteisest samadel vahemaadel. Sellegipoolest kasutavad kõik elusolendid eranditult pöördeid tekitavaid aminohappeid.
Kas sellel on sügavat tähendust või on see õnnetus, mille me pärisime "algsest" lahtrist? Kas on võimalik luua "pöörlevat valku"? Dekstrotsionaalne organism? Kas need erinevad teistest elusolenditest? Need müsteeriumid on otseselt seotud elu päritoluga. See nimekiri jätkub: kas DNA-s on vaja fosforit? Kas elu on võimalik ilma rakuta? Milliseid kemikaale on vaja iseseisvaks reprodutseerimiseks? Nende küsimuste taga olevad praktilised võimalused on lõputud.
Isegi kui elu toodi Maale kosmosest, nagu paljud usuvad, ei muuda see kuidagi tuleviku evolutsioonilise ja sünteetilise bioloogia ees seisvaid küsimusi. Kui elu ei ilmunud Maale, siis kuhu ja mis kõige tähtsam - kuidas? Tõenäoliselt jääb see mõistatus lahendamata - ehkki keegi ei tea, mida homne avastus toob.
Kõik tänapäeval planeedil elavad organismid pärinesid ühest ühisest esivanemast. Kuid sellel esivanemal oli juba rakk ja kõik selle põhikomponendid. Teadus ei tea midagi evolutsiooni ummikseisu harudest enne ühise esivanema ilmumist ega sellest, kas leidus ka teisi, paralleelseid "elupuid".
Mõista teine: kust me tulime?
Mis iganes vormis elu esmakordselt Maale ilmus, sünnitas evolutsioon kolme ja poole miljardi aasta pärast liigi Homo sapiens otsesed esivanemad - Homo sapiens.
Selle ainulaadse ahvi päritolu on palju paremini mõistetav kui enamiku teiste liikide evolutsioon. Kuid arusaadavatel põhjustel on meie tähelepanu sellele probleemile palju suurem kui teiste loomade puhul. Meid ei huvita eriti see, kuidas rändajate või papade esivanemad rändasid üle mandrite. Kuid kui rääkida meie lähimatest sugulastest, muutuvad nende reisid ümber maailma ja üksteisega suhtlemine tõeliseks ajalooliseks detektiiviks.
Hiljuti on teadlased luudele ehitanud kogu inimkonna sugupuu. Erinevates maailma osades leitud luustikke analüüsiti selliste tunnuste osas nagu hammaste struktuur ja kolju maht. Nende andmete põhjal rühmitati luustikud liikideks ning nende sarnasuste ja erinevuste põhjal ehitati pilt rumalate ahvide järkjärgulisest muutumisest nutikateks inimesteks, kellel käes kepp.
Nagu viimastel aastatel selgus, on sellisel pildil tegelikkusega vähe pistmist. Inimeste lähimate esivanemate evolutsioon ei ole mõne liigi järjestikune muundamine teisteks, vaid hargnenud puu, millel on palju ummikseisulisi oksi. Võib olla äärmiselt keeruline mõista, kuidas need harud on üksteisega seotud. Täna on selles abiks fossiilsetest materjalidest saadud DNA analüüsimise uusimad tehnoloogiad.
Näiteks oleme tunnistajaks action-pack teaduslikule draamale meie otseste esivanemate - varajase Homo sapiens'i suhetest nende nõbude: neandertallaste ja Denisovansidega.
Kas tööjõud lõi inimese?
Kuni 20. sajandini oli arheoloogia üsna raputanud teadus, mis nägi igas leitud luus inimnägemiste tõendeid. Varase arheoloogia sihvakate, kuid täiesti alusetu hüpoteeside seas torkab silma idee, et tööriistade meisterlikkus - oletatavasti enneolematu nähtus looduses - määras otseselt inimeste välimuse. Selle hüpoteesi kaja kuuleb liigi Homo habilis nimel - asjatundlik inimene, keda varem peeti perekonna Homo iidseimaks esindajaks.
Täna on ilmne, et tööriistade kasutamine pole inimesele kaugeltki ainulaadne. Kivide ja tikkudega olid näiteks muistsed ahvid - panantroopid hästi kontrollitavad. Kaasaegsed loomad, näiteks rongad, delfiinid, elevandid ja muidugi paljud primaadid, kasutavad ka tööriistu. Teadlased vaidlevad endiselt selle üle, mis pani inimese esivanemad täpselt jalgadele seisma ja tohutu aju arendama, kuid "oskuste" liigne romantiseerimine on tänapäeval vananenud.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
2010. aastal dekodeeriti neandertaallaste genoom. Saadud andmete analüüsi põhjal järeldati, et see varem iseseisvaks peetud liik levis tegelikult aktiivselt meie esivanematega ja tõi 1-4% geneetilist teavet kaasaegse eurooplase DNA-sse.
Vahetult enne seda - 2008. aastal - avastati veel üks tänapäevase inimese - nõbu - Denisovite. Ka tema ei olnud püüdlik "mõistlike" noorte daamide löömisele: mõnede Kagu-Aasia piirkondade tänapäeva elanikele on jäänud 3 - 5% tema DNA-st.
Mõnda aega rivistus selle armukolmnurga küllaltki sale pilt. Aafrikas tekivad Homo perekonna kolm haru ühiselt esivanemalt. Neandertallased rändavad Euroopasse, Denisovansid Aasiasse. Kolmas haru jääb Aafrikasse. Ta muutub järk-järgult Homo sapiensiks ja läheb mööda maailma jalutama, "korjates" vastavaid geene läänes ja idas seal juba elavate "nõbude" juurest. Tulevikus tõrjub Homo sapiens nii need kui ka teised nõod Maa küljest (täpselt kuidas - veel üks valge laik ajaloos), kuid säilitab nii neandertallaste kui ka Denisovansi "jäljendid".
Kuid hiljuti on Leipzigi Evolutsioonilise Antropoloogia Instituudi teadlastel õnnestunud dešifreerida osa inimese evolutsiooni kõigi kolme haru ühise esivanema genoomist. Hoolimata asjaolust, et see esivanem polnud veel Neanderthal ega Denisovan, leiti tema säilmed Hispaanias - vastuvõetud pildi põhjal selgus, et ta pidi Aafrikast lahkuma ja asuma jala "neandertaliseerumise" teele.
Geneetilise analüüsi tulemused olid aga šokeerivad. "Hispaania" mehe DNA osutus Denisovani genoomile palju lähedasemaks, mida Euroopas ei tohtinud üldse olla! Selgub, et kogu pilt meie suhetest denisovanide ja neandertallastega pole kaugeltki vaieldamatu tõsiasi.
Kirjeldatud näide on vaid üks paljudest moodsa paleoantropoloogia avatud küsimustest. Ainult usufanaatikud kahtlevad tänapäeval selles, et inimene pärines ahvist. Mis aga täpselt juhtus meie esivanematega paar miljonit aastat, eraldades puudelt põlvnemise ja salvestatud ajaloo - üldiselt on mõistatus endiselt.
On tuvastatud 78 nukleotiidiasendust, mis eristavad tänapäevaseid inimesi neandertaallastest. Näidatud on 5 geeni funktsioonid, mida iseloomustab mitu asendust. Mõned neist on aktiivsed nahas ja juustes ning on selgelt seotud "inimese" välimuse ja visuaalse taju loomisega (CAN15). Ilmselt seostatakse teisi inimese vaimsete omadustega. Üks geenidest määrab sperma aktiivsuse - tõenäoliselt arenes see välja seksuaalse valiku mõjul.
Kolmas mõistatus: mis on viirus?
Inimeste ja tõepoolest enamiku tänapäevaste loomade ja taimede puhul saab vähemalt umbes seose evolutsiooniliste esivanematega seostada. Viroloogid ei saa sellega kiidelda. Tegelikult ei saa teadus ikkagi aru, mis on viirus.
Fakt on see, et need mikroskoopilised atsellulaarsed parasiidid ei mahu üldse elava maailma süsteemi. Kõik meile teadaolevad elusad asjad koosnevad ja pärinevad rakkudest. Viirus eksisteerib ka ainult rakkude abil: ta vajab paljunemiseks peremeest. Kui kõik rakud kaovad ootamatult planeedilt, muutuvad viirused mõttetuks valkude ja DNA mullideks, mis pole võimelised bioloogiliste funktsioonide täitmiseks.
Kuidas tekkis selline kummaline mateeriavorm? On kaks peamist versiooni.
Esimene versioon: viirused on põgenenud geenid. Sellist stsenaariumi pole raske ette kujutada. Meie genoomis on elemente, mida nimetatakse transposoonideks, mis saavad end genoomi ühest osast välja lõigata ja teise sisestada. Mõnikord võtavad need "liikuvad geenid" endaga kaasa ka muud läheduses olevad DNA tükid. Eeldatakse, et miljardeid aastaid tagasi oli üks neist "liikuvatest geenidest" juhuslikult kokku pandud ühes komplektis iseseisvaks eksisteerimiseks vajalikuks miinimumkomplektiks: vasakul oli näiteks DNA paljundamiseks vajalik "paljundusmasin" ja paremal - "penknife" koos millega saaksite uude kambrisse sattuda. Sellest hetkest alates muutus geen viiruseks ja hakkas arenema emaorganismist eraldi.
Teine versioon: viirused on lihtsustatud rakud. Paljud teadlased kalduvad tänapäeval selle versiooni poole peamiselt seetõttu, et on avastatud hulk hiiglaslikke viirusi, mille suurus on võrreldav rakkudega. Selle versiooni kohaselt võisid viirused olla kunagi rakulised organismid - näiteks bakterid. Need bakterid on õppinud parasiteerima teisi suuremaid rakke. Järk-järgult vabanesid nad kõigest ebavajalikust, sealhulgas omaenda "rakulistest seadmetest" - ja muutusid seega viirusteks, mis säilitasid vaid mõned nakatamiseks vajalikud geenid ja "tööriistad".
Seda hüpoteesi toetab ajalooline pretsedent. Midagi sarnast juhtus mitokondritega - "energiajaamad", mis moodustavad meie rakke. Kunagi olid nad bakterid, kuid siis sõlmisid nad liit suuremate rakkudega, kaotasid iseseisvuse ja on tänapäeval nende lahutamatu osa.
Nagu elu päritolu, on viiruste ajalugu sajandite jooksul kadunud. Viirustel pole luid ega kesta, settekivimites ei jäta nad fossiile ega jälgi. Võimalik, et viirused ilmusid mitu korda iseseisvalt (võimalik, et erineval viisil). Peaaegu kindlalt on teada, et kõik elusorganismid pärinesid ühest rakust. Kas see kehtib "pooleldi elavate" viiruste kohta, pole veel teada.
Viiruste päritolust on olemas kolmas versioon, mille kohaselt nad tekkisid juba enne nende peremeeste, rakkude ilmumist. Selle versiooni kohaselt oli isesuguste geneetiliste elementide virosfäär algselt olemas. Mõni neist elementidest omandas rakustruktuuri ja andis lõpuks aluse kõigile kolmele eluvaldkonnale. Viirused aga liikusid järk-järgult parasitismi juurde ja arenesid edasi paralleelselt oma rakuperemeestega.
Mõistatus neljas: miks me vajame und?
Veedame kolmandiku oma elust unes - ja samal ajal ei saa me absoluutselt aru, miks. Me teame midagi unenäos toimuvast ja osaliselt sellest, miks unenägu võiks ilmneda. Kuid teadus ei oska veel vastata küsimusele, miks uni on nii vajalik.
Ööpäevased rütmid üldiselt ja eriti uni on ilmselgelt seotud Maa pöörlemisega Päikese ümber. Olenemata looma omadustest, on peaaegu igaühel neist kellaaeg, kus on kindlam mitte midagi teha, vaid lihtsalt istuda vaikselt ja mitte jääda välja. On üsna loogiline, et unerežiim võis tunduda energia säästmise viisina selles "ooterežiimis". Ülejäänud puhkefunktsioonid - näiteks mälu töötlemine ja kõvendamine - ilmusid selle režiimi ajal tõenäoliselt lisandmoodulitena.
Kuid see teooria ei seleta üldse, miks uni on nii vajalik. Teaduslikult dokumenteeritud tahtliku unepuuduse (ilma stimulantide kasutamiseta) rekord on 11 päeva ja see kuulub ameeriklasele Randy Gardnerile. Isegi selline mitte nii muljetavaldav rekord võis lõppeda katastroofiga: 2012. aastal suri terve öö Euro 2012 jälginud Hiina jalgpallifänn samasuguse kestusega magamata maratonist. Haigused, mis kahjustavad une mehhanisme, on äärmiselt ohtlikud. Ravimatu pärilik haigus, mida nimetatakse saatuslikuks perekondlikuks unetuseks, räägib iseenesest: pärast sümptomite ilmnemist ei ela patsiendid isegi aasta.
Prognoosid ajupiirkondadest, mis muudavad aktiivsust pärast unepuudust. Roheline näitab aktiivsuse vähenemist, punane - suurenemist
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Kas on loomi, kes ei maga? Selle küsimuse esitasid Madisoni Wisconsini ülikooli teadlased. Vaadates olemasolevaid andmeid, jõudsid nad järeldusele: "unise" looma olemasolust pole seni ühtegi selgelt ja ühemõtteliselt tõestatud juhtumit. See ei välista seda võimalust: autorid rõhutavad, et enamiku liikide uneandmeid on äärmiselt vähe.
Sellest hoolimata piisab olemasolevast teabest üsna üheselt mõistetava pildi saamiseks: ei inimesed ega rotid ega isegi prussakad kärbsed ei saa ilma uneta elada. Kõik näitab, et uni on elusate asjade sama universaalne omadus nagu hingamine või pärilikkus. Kuid kui viimase tähendus on tänapäeval ilmne, peavad teadlased une rolli üle palju higistama.
Millest kärbes unistab?
Uued tehnoloogiad on märkimisväärselt edendanud meie võimet uurida teiste liikide uinumist. Näiteks võimaldavad tänapäevased seadmed filmida midagi elektroentsefalogrammiga sarnast … magavast kärbsest. Eelmise aasta uuringus näitasid Austraalia Queenslandi ülikooli teadlased, et kärbsed mitte ainult ei maga, vaid neil on ka erinevad unefaasid - nagu ka meil endil. Need faasid on erineva sügavusega ja vahelduvad öösel. Kui kärbsed väsivad, siis sügava une aeg pikeneb. Üldiselt on kärbeste uni sarnane meie omaga, et teadlased arutavad vägevamaga ja peavad puuviljakärbeste kasutamist mudeliks kõrvalekallete uurimiseks, mida iseloomustavad unehäired.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Mõistatus viis: mis on "mina"?
Viimane mõistatus, mida tänapäeva bioloogia lagundab, on samuti seotud närvilise tegevusega, kuid palju keerukam kui Drosophila uni. Teadvus on nii keeruline ja raskesti määratletav protsess, et pikka aega määratles inimene ülbelt seda kui omaenda ainulaadset omadust.
Tänapäeval on inimteadvuse ainulaadsus pigem filosoofiline kui bioloogiline küsimus. Pole kahtlust, et inimene on oma intellekti arengus saavutanud enneolematu kõrguse. Kuid kas meie aju struktuuris ja töös on midagi kvalitatiivselt uut? Tõenäoliselt mitte. Koertel on emotsioonid, ahvid oskavad loota ja delfiinidel on isegi keele sarnasus grammatiliste ja kultuuriliste erinevustega erinevates maailma piirkondades. Loomi uurides mõistame intuitiivselt, et mõned neist on vähemalt omaenda olemasolust teadlikud. Kuid me ei saa ikka veel täielikult aru, mis selle teadlikkuse taga on. Lihtsamalt öeldes, me ei tea, mis on teadvus.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Viimastel aastatel on neurobioloogia jõudnud enneolematutesse kõrgustesse. Meil on hea idee, kuidas närvirakud töötavad, kuidas neid aktiveeritakse või alla surutakse ning kuidas nad üksteisega suhtlevad. Me teame, mis muutub nende rakkude koostises õppimise ja mälu kujunemise ajal. Me teame, millised ajuosad vastutavad selle või teise käitumise eest.
Kuid teadmine, et prefrontaalne ajukoore on kuidagi seotud sotsiaalsete vastasmõjudega ja selles olevad neuronid pommitavad üksteist spetsiaalsete molekulide ja elektriväljadega, ei tähenda sugugi mõista, kuidas üks teisest saab. Täna teevad teadlased juba esimesi katseid simuleerida kõige lihtsamate närvivõrkude tööd: olemasolevad andmed suudavad ainulaadselt kirjeldada ehk meduuside "teadvust". Teadus ei suuda veel inimese teadvust "häkkida", ükskõik kui palju ulmehuvilised seda soovivad.
