Hanya ada lima misteri utama dalam biologi modern
Teka-teki satu: dari mana asal kehidupan?
Biologi - diterjemahkan dari "ilmu kehidupan" Yunani - tidak tahu dari mana asal subjek studinya. Situasinya tidak unik - fisikawan, misalnya, juga tidak memahami dengan baik bagaimana tepatnya konstanta Planck atau gaya gravitasi muncul. Tetapi hanya dalam biologi, mungkin, pertanyaan tentang "permulaan permulaan" memiliki arti yang sedemikian tajam.
Ahli genetika Amerika asal Soviet Theodosius Dobrzhansky mengatakan bahwa tidak ada yang masuk akal dalam sains ini jika tidak diteruskan melalui teori evolusi.
Ilmu biologi didasarkan pada disiplin klasik dan deskriptif: zoologi, botani, mikrobiologi, dll. Dan entah bagaimana, tak perlu dikatakan lagi bahwa tujuan penelitian masing-masing adalah klarifikasi paling detail dari satu atau beberapa cabang pohon evolusi.
Pada saat yang sama, selama seratus tahun terakhir, sebagian besar biologi telah bercabang dari sains deskriptif asli dan bergabung dengan kedokteran, membentuk satu cabang biomedis. Ini ditandai dengan pendekatan yang berbeda, analitis. Ilmuwan tidak hanya mendeskripsikan tikus - dia mencangkokkan gen baru ke dalamnya dan mengamati hasilnya. Tapi kenapa kita begitu tertarik dengan tikus, monyet, dan lalat buah? Jawabannya sederhana: berkat teori evolusi, kita tahu bahwa kerja organisme tikus pada dasarnya tidak berbeda dengan karya kita sendiri. Akibatnya, biologi analitik memiliki manfaat yang jauh lebih praktis daripada biologi deskriptif.
Tetapi ada bentuk biologi ketiga, yang baru mulai muncul belakangan ini. Ahli biologi "analitis" saat ini memodifikasi organisme hidup untuk memahami cara kerjanya. Besok dia akan menciptakan organisme dari awal untuk ini - ini adalah pendekatan biologi sintetik.
Memang, cara paling pasti untuk memahami struktur mekanisme apa pun adalah dengan membangunnya sendiri. Saat ini, para ilmuwan mampu mensintesis seluruh genom dalam tabung reaksi dan membuatnya bekerja dalam sel hidup. Eksperimen ini dengan jelas menunjukkan gen mana yang diperlukan untuk keberadaan kehidupan - yang berarti membuka peluang yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk modifikasi, modifikasi, dan kepatuhannya pada keinginan kita. Penemuan biologi analitik dibuat "dari atas ke bawah": organisme diuraikan menjadi komponen dasar sebanyak mungkin. Biologi sintetik, sebaliknya, mengeksplorasi makhluk hidup "dari bawah ke atas": seluruh organisme tersusun dari sebanyak mungkin komponen dasar.
Video promosi:
Tetapi bagaimana cara memulai "mensintesis kehidupan" jika hanya sedikit yang dipahami tentang asal mula kehidupan? Dalam contoh yang disebutkan di atas dengan genom buatan, para ilmuwan memasukkannya ke dalam sel hidup, dari mana DNA-nya sendiri diambil. Jadi, dari dua komponen utama makhluk hidup - sel dan gen yang dikandungnya - para ilmuwan sejauh ini hanya berhasil mensintesis satu.
Kehidupan muncul di Bumi sekitar 3,5 - 4 miliar tahun yang lalu: menurut standar geologi, segera setelah pembentukan planet 4,5 miliar tahun yang lalu. Tetapi setiap "kronik" serius dari biologi hari ini dimulai jauh kemudian: pada saat itu, sel-sel sudah menghirup oksigen, dengan rajin mensintesis ribuan protein, banyak di antaranya telah lama disatukan menjadi organisme multisel yang sudah tahu cara kawin, secara aktif mencari makanan dan bahkan menghafal informasi.
Bagi seorang ahli biologi sintetik, tahapan evolusi paling kuno, yang hilang selama berabad-abad, merupakan tahapan yang sangat penting, di mana prinsip-prinsip dasar pengorganisasian makhluk hidup diletakkan. Mengapa, misalnya, protein hanya terdiri dari asam amino levorotatori? Struktur kimiawi dari "manik-manik" rantai protein ini sedemikian rupa sehingga bisa ada dalam dua bentuk cermin, yang disebut kiri dan dekstrorotatori. Kelihatannya sifat kimia molekul ini tidak berbeda: mereka terdiri dari atom yang sama pada jarak yang sama satu sama lain. Meskipun demikian, semua makhluk hidup hanya menggunakan asam amino levorotatory.
Apakah ada makna yang dalam di sini, atau apakah itu kecelakaan yang kita warisi dari sel "asli"? Apakah mungkin untuk membuat "protein dekstrorotatori"? Organisme dekstrorotatori? Akankah mereka berbeda dari makhluk hidup lainnya? Misteri ini terkait langsung dengan asal mula kehidupan. Daftarnya berlanjut: apakah fosfor dibutuhkan dalam DNA? Apakah hidup mungkin tanpa sel? Bahan kimia apa yang dibutuhkan untuk menggandakan diri? Kemungkinan praktis di balik pertanyaan-pertanyaan ini tidak terbatas.
Bahkan jika kehidupan dibawa ke Bumi dari luar angkasa, seperti yang diyakini banyak orang, hal ini sama sekali tidak mengubah pertanyaan yang dihadapi biologi evolusi - dan sintetik - masa depan. Jika kehidupan tidak muncul di Bumi, lalu di mana, dan yang terpenting - bagaimana? Kemungkinan besar misteri ini akan tetap tidak terpecahkan - meskipun tidak ada yang tahu penemuan apa yang akan dibawa besok.
Semua organisme yang hidup di planet saat ini diturunkan dari satu nenek moyang yang sama. Tetapi nenek moyang ini sudah memiliki sel dan semua komponen dasarnya. Sains tidak tahu apa-apa tentang cabang buntu evolusi sebelum kemunculan nenek moyang yang sama, atau tentang apakah ada "pohon kehidupan" paralel lainnya.
Teka-teki kedua: dari mana kita berasal?
Dalam bentuk apapun kehidupan pertama kali muncul di Bumi, setelah tiga setengah miliar tahun, evolusi melahirkan nenek moyang langsung spesies Homo sapiens - Homo sapiens.
Asal muasal monyet unik ini jauh lebih dipahami daripada evolusi kebanyakan spesies lain. Tetapi untuk alasan yang jelas, perhatian kami terhadap masalah ini jauh lebih tinggi daripada saat diterapkan pada hewan lain. Kami tidak terlalu tertarik dengan bagaimana nenek moyang tikus tanah atau ayam hutan bermigrasi melintasi benua. Tetapi ketika datang ke kerabat terdekat kita, perjalanan mereka di seluruh dunia dan interaksi satu sama lain berubah menjadi detektif sejarah yang nyata.
Baru-baru ini, para ilmuwan telah membangun seluruh silsilah ras manusia di atas tulang. Kerangka yang ditemukan di berbagai belahan dunia dianalisis untuk mengetahui ciri-ciri seperti struktur gigi dan volume tengkorak. Berdasarkan data tersebut, kerangka tersebut dikelompokkan ke dalam spesies, dan berdasarkan persamaan dan perbedaannya, dibuatlah gambar transformasi bertahap monyet bodoh menjadi orang pintar dengan tongkat di tangan.
Seperti yang menjadi jelas dalam beberapa tahun terakhir, gambaran seperti itu tidak ada hubungannya dengan kenyataan. Evolusi nenek moyang manusia yang paling dekat bukanlah transformasi berurutan dari beberapa spesies menjadi spesies lain, melainkan sebuah pohon bercabang dengan banyak cabang buntu. Sangat sulit untuk memahami bagaimana cabang-cabang ini terhubung satu sama lain. Saat ini, teknologi terbaru untuk menganalisis DNA yang diperoleh dari sisa-sisa fosil membantu kami dalam hal ini.
Misalnya, kita menyaksikan drama ilmiah penuh aksi tentang hubungan nenek moyang langsung kita - Homo sapiens awal - dengan sepupu mereka: Neanderthal dan Denisovan.
Apakah tenaga kerja menciptakan manusia?
Hingga abad ke-20, arkeologi adalah ilmu yang agak goyah, cenderung melihat bukti kebesaran manusia di setiap tulang yang ditemukan. Di antara hipotesis arkeologi awal yang ramping, tetapi sama sekali tidak berdasar, gagasan menonjol bahwa penguasaan alat - sebuah fenomena yang diduga belum pernah terjadi sebelumnya di alam - secara langsung menentukan penampilan orang. Gema hipotesis ini terdengar atas nama spesies Homo habilis - orang terampil yang sebelumnya dianggap sebagai perwakilan paling kuno dari genus Homo.
Sekarang ini terbukti bahwa penggunaan perkakas bukanlah hal yang unik bagi manusia. Dengan batu dan tongkat, misalnya, monyet purba - pananthropes, terkontrol dengan baik. Hewan modern, seperti burung gagak, lumba-lumba, gajah dan tentunya banyak primata juga menggunakan perkakas. Para ilmuwan masih memperdebatkan tentang apa sebenarnya yang membuat nenek moyang manusia berdiri tegak dan mengembangkan otak yang sangat besar, tetapi romantisasi "keterampilan" yang berlebihan sudah ketinggalan zaman sekarang.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
Pada 2010, genom Neanderthal didekodekan. Berdasarkan analisis data yang diperoleh, disimpulkan bahwa spesies ini, yang sebelumnya dianggap independen, ternyata secara aktif kawin dengan nenek moyang kita dan membawa 1 hingga 4% informasi genetik ke DNA orang Eropa modern.
Tidak lama sebelum itu - pada tahun 2008 - "sepupu" lain dari seorang pria modern, seorang Denisovite, ditemukan. Dia, juga, tidak menolak untuk mendekati wanita muda yang "berakal sehat": penduduk beberapa daerah di Asia Tenggara saat ini memiliki 3 - 5% dari DNA-nya yang tersisa.
Untuk beberapa waktu, gambar yang agak ramping dari cinta segitiga ini berbaris. Di Afrika, tiga cabang genus Homo muncul dari nenek moyang yang sama. Neanderthal bermigrasi ke Eropa, Denisovans ke Asia. Cabang ketiga tetap ada di Afrika. Dia secara bertahap 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. Di masa depan, Homo sapiens menggantikan keduanya dan sepupu lainnya dari muka bumi (persis seperti - titik putih lain dalam sejarah), tetapi tetap mempertahankan "jejak" dari Neanderthal dan Denisovan.
Namun, baru-baru ini, para ilmuwan dari Institute for Evolutionary Anthropology di Leipzig telah berhasil menguraikan bagian dari genom nenek moyang yang sama dari ketiga cabang evolusi manusia. Terlepas dari kenyataan bahwa nenek moyang ini belum Neanderthal atau Denisovan, jenazahnya ditemukan di Spanyol - berdasarkan gambar yang diterima, ternyata dia harus meninggalkan Afrika dan menginjakkan kaki di jalur "neandertalization".
Namun, hasil analisis genetik sangat mengejutkan. DNA pria "Spanyol" ternyata lebih dekat dengan genom Denisovan, yang seharusnya tidak ada di Eropa sama sekali! Ternyata gambaran keseluruhan hubungan kita dengan Denisovan dan Neanderthal jauh dari fakta yang tak terbantahkan.
Contoh yang dijelaskan hanyalah salah satu dari banyak pertanyaan terbuka paleoantropologi modern. Hanya kaum fanatik religius saat ini yang meragukan bahwa manusia keturunan monyet. Tapi apa yang sebenarnya terjadi pada nenek moyang kita beberapa juta tahun, memisahkan keturunan dari pepohonan dan catatan sejarah - pada umumnya, masih menjadi misteri.
78 substitusi nukleotida telah diidentifikasi yang membedakan manusia modern dari Neanderthal. Fungsi 5 gen yang dicirikan oleh banyak substitusi ditunjukkan. Beberapa dari mereka aktif di kulit dan rambut, dan jelas terlibat dalam penciptaan penampilan dan persepsi visual "manusia" (CAN15). Yang lainnya, tentu saja, terkait dengan karakteristik mental seseorang. Salah satu gen menentukan aktivitas sperma - mungkin, ia berevolusi di bawah pengaruh seleksi seksual.
Teka-teki ketiga: apa itu virus?
Dalam kasus manusia, dan memang pada kebanyakan hewan dan tumbuhan modern, paling tidak seseorang dapat secara kasar menarik hubungan dengan nenek moyang evolusioner. Ahli virologi tidak bisa membanggakan hal ini. Faktanya, sains masih belum memahami apa itu virus.
Faktanya adalah bahwa parasit aseluler mikroskopis ini sama sekali tidak cocok dengan sistem dunia kehidupan. Semua makhluk hidup yang kita kenal terdiri dan berasal dari sel. Virus juga ada hanya dengan bantuan sel: ia membutuhkan inang untuk mereproduksi dirinya sendiri. Jika semua sel tiba-tiba menghilang dari planet ini, virus akan berubah menjadi gelembung protein dan DNA yang tidak berarti, yang tidak dapat berfungsi secara biologis.
Bagaimana bentuk materi yang aneh itu ada? Ada dua versi utama.
Versi pertama: virus adalah gen pelarian. Skenario seperti itu tidak sulit dibayangkan. Ada elemen dalam genom kita yang disebut transposon yang dapat memotong dirinya sendiri dari satu bagian genom dan menyisipkan dirinya ke bagian lain. Kadang-kadang "gen yang bergerak" ini membawa serta potongan DNA lain yang ada di lingkungan itu. Diasumsikan bahwa miliaran tahun yang lalu, salah satu dari "gen bergerak" ini secara tidak sengaja berkumpul dalam satu set set minimum yang diperlukan untuk keberadaan independen: di sebelah kiri, misalnya, ada "mesin penyalin" yang diperlukan untuk mereproduksi DNA, dan di sebelah kanan - sebuah "pisau lipat" dengan yang dengannya Anda bisa masuk ke sel baru. Sejak saat itu, gen berubah menjadi virus dan mulai berkembang secara terpisah dari organisme induk.
Versi kedua: virus adalah sel yang disederhanakan. Sejumlah ilmuwan saat ini cenderung ke versi ini terutama karena penemuan sejumlah virus raksasa yang ukurannya sebanding dengan sel. Menurut versi ini, virus mungkin pernah menjadi organisme seluler - misalnya, bakteri. Bakteri ini telah belajar menjadi parasit pada sel lain yang lebih besar. Secara bertahap, mereka menyingkirkan semua yang tidak perlu, termasuk "peralatan seluler" mereka sendiri - dan dengan demikian berubah menjadi virus yang hanya memiliki sedikit gen dan "alat" yang diperlukan untuk menginfeksi.
Hipotesis ini didukung oleh preseden sejarah. Hal serupa terjadi dengan mitokondria - "stasiun energi" yang menyusun sel kita. Dulu mereka adalah bakteri, tetapi kemudian mereka bersekutu dengan sel yang lebih besar, kehilangan kemandiriannya dan hari ini mereka menjadi bagian integral dari mereka.
Seperti asal mula kehidupan, sejarah virus hilang selama berabad-abad. Virus tidak memiliki tulang atau cangkang, mereka tidak meninggalkan fosil atau jejak di batuan sedimen. Ada kemungkinan virus muncul secara independen (mungkin dengan cara berbeda) beberapa kali. Hampir pasti diketahui bahwa semua organisme hidup berasal dari satu sel. Apakah ini berlaku untuk virus "semi-hidup" masih belum diketahui.
Ada versi ketiga dari asal mula virus, yang menurutnya mereka muncul bahkan sebelum inangnya, sel, muncul. Menurut versi ini, virosfer dari elemen genetik yang berkembang biak sendiri pada awalnya ada. Beberapa dari elemen ini memperoleh struktur seluler dan akhirnya memunculkan ketiga domain kehidupan. Virus, bagaimanapun, secara bertahap pindah ke parasitisme dan terus berkembang secara paralel dengan inang seluler mereka.
Teka-teki keempat: mengapa kita butuh tidur?
Kita menghabiskan sepertiga hidup kita dalam mimpi - dan pada saat yang sama kita sama sekali tidak mengerti mengapa. Kita tahu sesuatu tentang apa yang terjadi dalam mimpi, dan sebagian mengapa mimpi bisa muncul. Tetapi sains belum dapat menjawab pertanyaan mengapa tidur sangat diperlukan.
Ritme sirkadian secara umum dan tidur pada khususnya jelas terkait dengan rotasi Bumi mengelilingi Matahari. Apa pun ciri-ciri hewan itu, bagi hampir semua hewan, ada saatnya lebih aman untuk tidak melakukan apa pun, tetapi hanya duduk diam dan tidak menonjol. Sangat logis bahwa tidur dapat muncul sebagai cara untuk menghemat energi dalam "mode siaga" ini. Fungsi tidur lainnya - misalnya, memproses dan memperkuat memori - mungkin muncul sebagai "add-on" pada mode ini.
Tetapi teori ini sama sekali tidak menjelaskan mengapa tidur sangat diperlukan. Catatan yang didokumentasikan secara ilmiah untuk kurang tidur yang disengaja (tanpa menggunakan stimulan) adalah 11 hari dan milik Randy Gardner Amerika. Bahkan rekor yang tidak terlalu mengesankan bisa berakhir dengan bencana: pada tahun 2012, seorang penggemar sepak bola Tiongkok yang menonton Euro 2012 sepanjang malam meninggal karena maraton tanpa tidur dengan durasi yang sama. Penyakit yang merusak mekanisme tidur sangatlah berbahaya. Gangguan keturunan yang tidak dapat disembuhkan yang disebut Fatal Familial Insomnia berbicara dengan sendirinya: Setelah timbulnya gejala, pasien tidak dapat hidup bahkan setahun.
Proyeksi area otak yang mengubah aktivitas setelah kurang tidur. Hijau menunjukkan penurunan aktivitas, merah - peningkatan
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Apakah ada hewan yang tidak tidur? Pertanyaan ini diajukan oleh para ilmuwan dari University of Wisconsin di Madison. Setelah mempertimbangkan data yang tersedia, mereka menyimpulkan: tidak ada satu pun kasus yang terbukti secara jelas dan tegas tentang keberadaan hewan yang "mengantuk" hingga saat ini. Ini tidak mengesampingkan kemungkinan ini: penulis menekankan bahwa data tentang tidur untuk sebagian besar spesies sangat langka.
Namun demikian, informasi yang tersedia cukup untuk gambaran yang agak tidak ambigu: baik manusia, atau tikus, atau bahkan lalat dengan kecoak dapat hidup tanpa tidur. Semuanya menunjukkan bahwa tidur adalah properti universal makhluk hidup yang sama dengan pernapasan atau keturunan. Tetapi jika arti yang terakhir ini jelas hari ini, maka para ilmuwan harus banyak berkeringat tentang peran tidur.
Tentang apa seekor lalat bermimpi?
Teknologi baru telah secara signifikan meningkatkan kemampuan kita untuk mempelajari tidur pada spesies lain. Misalnya, peralatan modern memungkinkan Anda memotret sesuatu yang mirip dengan elektroensefalogram … dari lalat tidur. Dalam sebuah penelitian tahun lalu, para peneliti di University of Queensland di Australia menunjukkan bahwa lalat tidak hanya tidur, tetapi juga memiliki fase tidur yang berbeda - seperti halnya kita sendiri. Fase ini bervariasi secara mendalam dan bergantian pada malam hari, dengan waktu "tidur nyenyak" meningkat jika lalat menjadi sangat lelah. Secara umum, tidur lalat sangat mirip dengan kita sehingga para ilmuwan berdiskusi dengan kekuatan dan penggunaan utama lalat buah sebagai model untuk mempelajari kelainan yang ditandai dengan gangguan tidur.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Teka-teki lima: apakah "aku" itu?
Misteri terakhir yang dipecahkan oleh biologi saat ini juga terkait dengan aktivitas saraf, tetapi jauh lebih kompleks daripada tidur Drosophila. Kesadaran adalah proses yang kompleks dan sulit untuk didefinisikan sehingga untuk waktu yang lama seseorang dengan arogan mendefinisikannya sebagai properti uniknya sendiri.
Saat ini, keunikan kesadaran manusia lebih merupakan pertanyaan filosofis daripada biologis. Tidak ada keraguan bahwa seseorang telah mencapai ketinggian yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam perkembangan kecerdasannya. Tetapi adakah sesuatu yang secara kualitatif baru dalam struktur dan kerja otak kita? Kemungkinan besar tidak. Anjing memiliki emosi, monyet dapat menghitung, dan lumba-lumba bahkan memiliki kemiripan bahasa dengan perbedaan tata bahasa dan budaya di berbagai belahan dunia. Mempelajari hewan, kami secara intuitif memahami bahwa beberapa dari mereka setidaknya menyadari keberadaan mereka sendiri. Namun kami masih belum sepenuhnya memahami apa sebenarnya yang ada di balik kesadaran ini. Sederhananya, kita tidak tahu apa itu kesadaran.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
Dalam beberapa tahun terakhir, neurobiologi telah mencapai ketinggian yang belum pernah terjadi sebelumnya. Kami memiliki gagasan bagus tentang bagaimana sel-sel saraf bekerja, bagaimana mereka diaktifkan atau ditekan, dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain. Kita tahu perubahan apa dalam komposisi sel-sel ini selama pembelajaran dan pembentukan memori. Kita tahu bagian otak mana yang bertanggung jawab atas perilaku ini atau itu.
Tetapi mengetahui bahwa korteks prefrontal entah bagaimana terhubung dengan interaksi sosial, dan neuron di dalamnya saling membombardir dengan molekul khusus dan medan listrik, sama sekali tidak berarti memahami bagaimana seseorang mendapatkan dari yang lain. Saat ini para ilmuwan melakukan percobaan pertama untuk mensimulasikan operasi jaringan saraf yang paling sederhana: data yang ada dapat secara unik menggambarkan "kesadaran" dari ubur-ubur. Sains belum mampu "meretas" kesadaran manusia, tidak peduli seberapa besar keinginan pecinta fiksi ilmiah.
