In der modernen Biologie gibt es nur fünf Hauptgeheimnisse
Rätsel eins: Woher kommt das Leben?
Die Biologie - übersetzt aus der griechischen "Wissenschaft vom Leben" - hat keine Ahnung, woher das Thema ihrer Studie stammt. Die Situation ist nicht einzigartig - Physiker zum Beispiel verstehen auch nicht sehr gut, wie genau Plancks Konstante oder die Schwerkraft entstanden sind. Aber vielleicht nur in der Biologie haben Fragen nach dem "Beginn der Anfänge" eine so akute Bedeutung.
Der amerikanische Genetiker sowjetischer Herkunft Theodosius Dobrzhansky sagte, dass nichts in dieser Wissenschaft Sinn macht, wenn sie nicht durch die Evolutionstheorie geführt wird.
Die Biowissenschaft basiert auf den klassischen, beschreibenden Disziplinen: Zoologie, Botanik, Mikrobiologie usw. Und irgendwie versteht es sich von selbst, dass der Zweck der Erforschung jedes einzelnen von ihnen die detaillierteste Klärung des einen oder anderen Zweigs des Evolutionsbaums ist.
Gleichzeitig hat sich in den letzten hundert Jahren ein großer Teil der Biologie von der ursprünglichen, beschreibenden Wissenschaft abgezweigt und sich mit der Medizin zu einem einzigen biomedizinischen Zweig zusammengeschlossen. Es zeichnet sich durch einen anderen analytischen Ansatz aus. Der Wissenschaftler beschreibt nicht nur die Maus - er transplantiert neue Gene hinein und beobachtet das Ergebnis. Aber warum interessieren wir uns so für Mäuse, Affen und Fruchtfliegen? Die Antwort ist einfach: Dank der Evolutionstheorie wissen wir, dass sich die Arbeit des Mausorganismus grundsätzlich nicht von unserer eigenen unterscheidet. Infolgedessen hat die analytische Biologie weitaus mehr praktische Vorteile als die deskriptive Biologie.
Aber es gibt eine dritte Form der Biologie, die sich gerade erst abzeichnet. Der heutige „analytische“Biologe verändert einen lebenden Organismus, um zu verstehen, wie er funktioniert. Morgen wird er dafür Organismen von Grund auf neu erschaffen - das ist der Ansatz der synthetischen Biologie.
In der Tat ist der sicherste Weg, die Struktur eines Mechanismus zu verstehen, ihn selbst zu bauen. Bereits heute können Wissenschaftler ganze Genome in einem Reagenzglas synthetisieren und in einer lebenden Zelle arbeiten lassen. Dieses Experiment zeigt eindeutig, welche Gene für die Existenz des Lebens notwendig sind - was bedeutet, dass es beispiellose Möglichkeiten für ihre Modifikation, Modifikation und Unterwerfung unter unseren Willen eröffnet. Die Entdeckungen der analytischen Biologie werden "von oben nach unten" gemacht: Der Organismus wird in möglichst grundlegende Bestandteile zerlegt. Die synthetische Biologie hingegen erforscht Lebewesen "von unten nach oben": Der gesamte Organismus besteht aus möglichst vielen Grundbestandteilen.
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Aber wie kann man anfangen, "Leben zu synthetisieren", wenn es so wenig gibt, was im Ursprung des Lebens verstanden wird? In dem oben genannten Beispiel mit einem künstlichen Genom haben Wissenschaftler es in eine lebende Zelle eingefügt, aus der die eigene DNA entfernt wurde. Von den beiden Hauptkomponenten von Lebewesen - der Zelle und den darin enthaltenen Genen - ist es Wissenschaftlern bisher gelungen, nur eine zu synthetisieren.
Das Leben erschien vor etwa 3,5 bis 4 Milliarden Jahren auf der Erde: nach geologischen Maßstäben fast unmittelbar nach der Entstehung des Planeten vor 4,5 Milliarden Jahren. Aber jede ernsthafte "Chronik" der heutigen Biologie beginnt viel später: Zu diesem Zeitpunkt atmeten die Zellen bereits Sauerstoff ein und synthetisierten fleißig Tausende von Proteinen. Viele von ihnen waren lange Zeit zu mehrzelligen Organismen vereint, die bereits wussten, wie man sich paart, aktiv nach Nahrung sucht und sich sogar Informationen merkt.
Für einen synthetischen Biologen sind die ältesten Evolutionsstadien, die seit Jahrhunderten verloren gegangen sind, von grundlegender Bedeutung, in denen die Grundprinzipien der Organisation von Lebewesen festgelegt wurden. Warum bestehen beispielsweise Proteine ausschließlich aus levorotatorischen Aminosäuren? Die chemische Struktur dieser "Perlen" von Proteinketten ist so, dass sie in zwei gespiegelten Formen existieren können, die als links und rechtsdrehend bezeichnet werden. Es scheint, dass sich die chemischen Eigenschaften dieser Moleküle nicht unterscheiden: Sie bestehen aus denselben Atomen in denselben Abständen voneinander. Trotzdem verwenden alle Lebewesen ausschließlich levorotatorische Aminosäuren.
Hat dies eine tiefe Bedeutung oder ist es ein Unfall, den wir von der "ursprünglichen" Zelle geerbt haben? Ist es möglich, ein "rechtsdrehendes Protein" zu erzeugen? Ein rechtsdrehender Organismus? Werden sie sich von anderen Lebewesen unterscheiden? Diese Geheimnisse stehen in direktem Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens. Die Liste geht weiter: Wird Phosphor in der DNA benötigt? Ist ein Leben ohne Zelle möglich? Welche Chemikalien werden für die Selbstreplikation benötigt? Die praktischen Möglichkeiten hinter diesen Fragen sind endlos.
Selbst wenn das Leben aus dem Weltraum auf die Erde gebracht wurde, wie viele glauben, ändert dies nichts an den Fragen, mit denen die evolutionäre und synthetische Biologie der Zukunft konfrontiert ist. Wenn das Leben nicht auf der Erde erschien, wo und vor allem - wie? Es ist wahrscheinlich, dass dieses Rätsel ungelöst bleibt - obwohl niemand weiß, welche Entdeckungen morgen bringen werden.
Alle heute auf dem Planeten lebenden Organismen stammten von einem gemeinsamen Vorfahren ab. Aber dieser Vorfahr besaß bereits eine Zelle und alle ihre Grundkomponenten. Die Wissenschaft weiß nichts über die Sackgassen der Evolution vor dem Erscheinen eines gemeinsamen Vorfahren oder darüber, ob es andere parallele "Bäume des Lebens" gab.
Rätsel zwei: Woher kommen wir?
In welcher Form auch immer das Leben zum ersten Mal auf der Erde erschien, nach dreieinhalb Milliarden Jahren brachte die Evolution die direkten Vorfahren der Art Homo sapiens - Homo sapiens - hervor.
Der Ursprung dieses einzigartigen Affen ist viel besser verstanden als die Entwicklung der meisten anderen Arten. Aus offensichtlichen Gründen ist unsere Aufmerksamkeit für das Thema jedoch viel höher als bei anderen Tieren. Wir sind nicht sehr daran interessiert, wie die Vorfahren von Wühlmäusen oder Rebhühnern über die Kontinente wanderten. Aber wenn es um unsere engsten Verwandten geht, werden ihre Reisen um die Welt und ihre Interaktionen miteinander zu einem echten historischen Detektiv.
In jüngerer Zeit haben Wissenschaftler die gesamte Genealogie der Menschheit auf Knochen aufgebaut. In verschiedenen Teilen der Welt gefundene Skelette wurden auf Merkmale wie die Struktur der Zähne und das Volumen des Schädels untersucht. Basierend auf diesen Daten wurden die Skelette in Arten eingeteilt, und basierend auf ihren Ähnlichkeiten und Unterschieden wurde ein Bild der allmählichen Umwandlung dummer Affen in kluge Menschen mit einem Stock in der Hand erstellt.
Wie in den letzten Jahren deutlich wurde, hat ein solches Bild wenig mit der Realität zu tun. Die Entwicklung der engsten menschlichen Vorfahren ist keine sequentielle Umwandlung einiger Arten in andere, sondern ein verzweigter Baum mit vielen Sackgassenästen. Es kann äußerst schwierig sein zu verstehen, wie diese Zweige miteinander verbunden sind. Die neuesten Technologien zur Analyse von DNA aus fossilen Überresten helfen uns heute dabei.
Zum Beispiel erleben wir ein actionreiches wissenschaftliches Drama über die Beziehung unserer direkten Vorfahren - des frühen Homo sapiens - zu ihren Cousins: Neandertaler und Denisovaner.
Hat die Arbeit den Menschen geschaffen?
Bis zum 20. Jahrhundert war die Archäologie eine ziemlich wackelige Wissenschaft, die dazu neigte, in jedem gefundenen Knochen Beweise menschlicher Größe zu sehen. Unter den schlanken, aber völlig unbegründeten Hypothesen der frühen Archäologie sticht die Idee hervor, dass die Beherrschung von Werkzeugen - ein angeblich beispielloses Phänomen in der Natur - das Aussehen von Menschen direkt bestimmte. Echos dieser Hypothese sind im Namen der Art Homo habilis zu hören - ein Fachmann, der zuvor als der älteste Vertreter der Gattung Homo galt.
Es ist heute offensichtlich, dass der Einsatz von Werkzeugen für den Menschen keineswegs einzigartig ist. Mit Steinen und Stöcken zum Beispiel waren die alten Affen - Pananthropen - gut kontrolliert. Moderne Tiere wie Raben, Delfine, Elefanten und natürlich viele Primaten verwenden ebenfalls Werkzeuge. Wissenschaftler streiten sich immer noch darüber, was genau menschliche Vorfahren dazu gebracht hat, auf den Beinen zu stehen und ein riesiges Gehirn zu entwickeln, aber die übermäßige Romantisierung von "Geschicklichkeit" ist heute veraltet.
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Im Jahr 2010 wurde das Neandertaler-Genom entschlüsselt. Basierend auf der Analyse der erhaltenen Daten wurde der Schluss gezogen, dass diese Art, die zuvor als unabhängig galt, tatsächlich aktiv mit unseren Vorfahren kreuzte und 1 bis 4% der genetischen Informationen in die DNA eines modernen Europäers brachte.
Kurz zuvor - im Jahr 2008 - wurde ein weiterer "Cousin" eines modernen Mannes, ein Denisovit, entdeckt. Auch er war nicht abgeneigt, die "vernünftigen" jungen Damen zu treffen: Die heutigen Bewohner einiger Regionen Südostasiens haben 3 - 5% seiner DNA übrig.
Für einige Zeit reihte sich ein eher schlankes Bild dieses Liebesdreiecks aneinander. In Afrika stammen drei Zweige der Gattung Homo von einem gemeinsamen Vorfahren ab. Neandertaler wandern nach Europa, Denisovaner nach Asien. Ein dritter Zweig bleibt in Afrika. Sie verwandelt sich allmählich in einen Homo sapiens und geht um die Welt spazieren, wobei sie die entsprechenden Gene im Westen und Osten von den dort bereits lebenden "Cousins" "aufnimmt". In Zukunft verdrängt Homo sapiens sowohl diese als auch andere Cousins vom Erdboden (genau wie - ein weiterer weißer Fleck in der Geschichte), behält aber die "Abdrücke" von Neandertalern und Denisovanern bei.
In jüngerer Zeit ist es Wissenschaftlern des Instituts für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig jedoch gelungen, einen Teil des Genoms des gemeinsamen Vorfahren aller drei Zweige der menschlichen Evolution zu entschlüsseln. Trotz der Tatsache, dass dieser Vorfahr noch kein Neandertaler oder Denisovaner war, wurden seine sterblichen Überreste in Spanien gefunden - basierend auf dem akzeptierten Bild stellte sich heraus, dass er Afrika verlassen und den Weg der "Neandertalisierung" beschreiten musste.
Die Ergebnisse der genetischen Analyse waren jedoch schockierend. Die DNA des "spanischen" Mannes erwies sich als viel näher am Genom des Denisovan, das überhaupt nicht in Europa hätte sein dürfen! Es stellt sich heraus, dass das Gesamtbild unserer Beziehungen zu den Denisovanern und Neandertalern alles andere als unbestreitbar ist.
Das beschriebene Beispiel ist nur eine der vielen offenen Fragen der modernen Paläoanthropologie. Nur religiöse Fanatiker bezweifeln heute, dass der Mensch von einem Affen abstammt. Aber was genau mit unseren Vorfahren vor ein paar Millionen Jahren passiert ist und den Abstieg von den Bäumen und die aufgezeichnete Geschichte getrennt hat - im Großen und Ganzen ist immer noch ein Rätsel.
Es wurden 78 Nukleotidsubstitutionen identifiziert, die moderne Menschen von Neandertalern unterscheiden. Die Funktionen von 5 Genen, die durch Mehrfachsubstitutionen gekennzeichnet sind, sind angegeben. Einige von ihnen sind in Haut und Haaren aktiv und eindeutig an der Schaffung eines "menschlichen" Erscheinungsbildes und einer visuellen Wahrnehmung beteiligt (CAN15). Andere sind offensichtlich mit den geistigen Eigenschaften einer Person verbunden. Eines der Gene bestimmt die Aktivität von Spermien - wahrscheinlich hat es sich unter dem Einfluss der sexuellen Selektion entwickelt.
Rätsel drei: Was ist ein Virus?
Beim Menschen und in der Tat bei den meisten modernen Tieren und Pflanzen kann man zumindest grob eine Verbindung zu evolutionären Vorfahren herstellen. Virologen können sich damit nicht rühmen. Tatsächlich versteht die Wissenschaft immer noch nicht, was ein Virus ist.
Tatsache ist, dass diese mikroskopisch kleinen azellulären Parasiten überhaupt nicht in das System der lebenden Welt passen. Alle uns bekannten Lebewesen bestehen und stammen aus Zellen. Das Virus existiert auch nur mit Hilfe von Zellen: Es braucht einen Wirt, um sich selbst zu reproduzieren. Wenn alle Zellen plötzlich vom Planeten verschwinden würden, würden sich Viren in bedeutungslose Blasen von Proteinen und DNA verwandeln, die keine biologischen Funktionen mehr erfüllen können.
Wie gab es so eine seltsame Form von Materie? Es gibt zwei Hauptversionen.
Erste Version: Viren sind außer Kontrolle geratene Gene. Ein solches Szenario ist nicht schwer vorstellbar. Es gibt Elemente in unserem Genom, die Transposons genannt werden und sich aus einem Teil des Genoms herausschneiden und in einen anderen einfügen können. Manchmal nehmen diese "mobilen Gene" andere DNA-Stücke mit, die sich in der Nachbarschaft befinden. Es wird angenommen, dass vor Milliarden von Jahren eines dieser "mobilen Gene" versehentlich in einem Satz die für eine unabhängige Existenz notwendige Mindestmenge zusammengesetzt hat: Links zum Beispiel gab es ein "Kopiergerät", das zur Reproduktion von DNA benötigt wurde, und rechts ein "Taschenmesser" mit mit denen man in eine neue Zelle gelangen könnte. Von diesem Moment an verwandelte sich das Gen in ein Virus und begann sich getrennt vom Elternorganismus zu entwickeln.
Zweite Version: Viren sind vereinfachte Zellen. Eine Reihe von Wissenschaftlern neigt heute zu dieser Version, hauptsächlich aufgrund der Entdeckung einer Reihe von Riesenviren, deren Größe mit denen von Zellen vergleichbar ist. Nach dieser Version können Viren einst zelluläre Organismen gewesen sein - zum Beispiel Bakterien. Diese Bakterien haben gelernt, auf anderen, größeren Zellen zu parasitieren. Allmählich wurden sie alles Unnötige los, einschließlich ihrer eigenen "zellulären Ausrüstung" - und verwandelten sich so in Viren, die nur wenige Gene und "Werkzeuge" behielten, die für die Infektion notwendig waren.
Diese Hypothese wird durch historische Präzedenzfälle gestützt. Ähnliches geschah mit Mitochondrien - "Energiestationen", aus denen unsere Zellen bestehen. Früher waren sie Bakterien, aber dann gingen sie ein Bündnis mit größeren Zellen ein, verloren ihre Unabhängigkeit und sind heute ein wesentlicher Bestandteil von ihnen.
Wie beim Ursprung des Lebens geht die Geschichte der Viren im Laufe der Jahrhunderte verloren. Viren haben keine Knochen oder Muscheln, sie hinterlassen keine Fossilien oder Spuren in Sedimentgesteinen. Es ist möglich, dass Viren mehrmals unabhängig (möglicherweise auf unterschiedliche Weise) auftraten. Es ist mit ziemlicher Sicherheit bekannt, dass alle lebenden Organismen aus einer Zelle stammen. Ob dies für "semi-live" Viren gilt, ist noch nicht bekannt.
Es gibt eine dritte Version des Ursprungs von Viren, nach der sie entstanden sind, noch bevor ihre Wirte, Zellen, erschienen sind. Nach dieser Version existierte ursprünglich die Virosphäre selbstreproduzierender genetischer Elemente. Einige dieser Elemente nahmen eine zelluläre Struktur an und führten schließlich zu allen drei Lebensbereichen. Viren entwickelten sich jedoch allmählich zum Parasitismus und entwickelten sich parallel zu ihren zellulären Wirten weiter.
Rätsel vier: Warum brauchen wir Schlaf?
Wir verbringen ein Drittel unseres Lebens in einem Traum - und gleichzeitig verstehen wir absolut nicht warum. Wir wissen etwas darüber, was in einem Traum passiert und teilweise, warum ein Traum erscheinen könnte. Die Wissenschaft kann die Frage, warum Schlaf so notwendig ist, noch nicht beantworten.
Zirkadiane Rhythmen im Allgemeinen und Schlaf im Besonderen sind offensichtlich mit der Rotation der Erde um die Sonne verbunden. Unabhängig von den Eigenschaften des Tieres gibt es für fast jedes Tier eine Tageszeit, in der es sicherer ist, nichts zu tun, sondern nur ruhig zu sitzen und nicht hervorzustehen. Es ist ziemlich logisch, dass Schlaf als ein Weg zum Energiesparen in diesem "Standby-Modus" hätte erscheinen können. Die restlichen Schlaffunktionen - zum Beispiel das Verarbeiten und Härten des Speichers - wurden in diesem Modus wahrscheinlich als "Add-Ons" angezeigt.
Aber diese Theorie erklärt überhaupt nicht, warum Schlaf so notwendig ist. Die wissenschaftlich dokumentierte Aufzeichnung für absichtlichen Schlafentzug (ohne Verwendung von Stimulanzien) beträgt 11 Tage und gehört dem Amerikaner Randy Gardner. Selbst solch ein nicht so beeindruckender Rekord könnte in einer Katastrophe enden: 2012 starb ein chinesischer Fußballfan, der die ganze Nacht über die Euro 2012 sah, an einem schlaflosen Marathon von ähnlicher Dauer. Krankheiten, die Schlafmechanismen schädigen, sind äußerst gefährlich. Eine unheilbare Erbkrankheit namens Fatal Familial Insomnia spricht für sich: Nach dem Einsetzen der Symptome leben die Patienten nicht einmal ein Jahr.
Projektionen von Bereichen des Gehirns, die die Aktivität nach Schlafentzug verändern. Grün zeigt eine Abnahme der Aktivität an, Rot - eine Zunahme
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Gibt es Tiere, die nicht schlafen? Diese Frage wurde von Wissenschaftlern der University of Wisconsin in Madison gestellt. Nach Prüfung der verfügbaren Daten kamen sie zu dem Schluss: Es gibt bisher keinen einzigen eindeutig und eindeutig nachgewiesenen Fall für die Existenz eines "schläfrigen" Tieres. Dies schließt diese Möglichkeit nicht aus: Die Autoren betonen, dass die Daten zum Schlaf für die meisten Arten äußerst knapp sind.
Trotzdem reichen die verfügbaren Informationen für ein eher eindeutiges Bild aus: Weder Menschen noch Ratten noch Fliegen mit Kakerlaken können ohne Schlaf leben. Alles deutet darauf hin, dass Schlaf dieselbe universelle Eigenschaft von Lebewesen ist wie Atmung oder Vererbung. Aber wenn die Bedeutung des letzteren heute offensichtlich ist, müssen Wissenschaftler viel über die Rolle des Schlafes schwitzen.
Wovon träumt eine Fliege?
Neue Technologien haben unsere Fähigkeit, den Schlaf bei anderen Arten zu untersuchen, erheblich verbessert. Mit modernen Geräten können Sie beispielsweise etwas Ähnliches wie ein Elektroenzephalogramm aufnehmen … von einer schlafenden Fliege. In einer Studie im letzten Jahr haben Forscher der University of Queensland in Australien gezeigt, dass Fliegen nicht nur schlafen, sondern auch unterschiedliche Schlafphasen haben - genau wie wir. Diese Phasen variieren in der Tiefe und wechseln sich nachts ab, wobei sich die Tiefschlafzeit erhöht, wenn die Fliegen sehr müde werden. Im Allgemeinen ist der Fliegenschlaf unserem so ähnlich, dass Wissenschaftler mit Macht und Hauptsache über die Verwendung von Fruchtfliegen als Modell für die Untersuchung von Anomalien diskutieren, die durch Schlafstörungen gekennzeichnet sind.
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Rätsel fünf: Was ist "ich"?
Das letzte Rätsel, das die heutige Biologie auflöst, hängt auch mit nervöser Aktivität zusammen, ist aber viel komplexer als der Schlaf von Drosophila. Bewusstsein ist ein so komplexer und schwer zu definierender Prozess, dass eine Person ihn lange Zeit arrogant als sein eigenes einzigartiges Eigentum definierte.
Die Einzigartigkeit des menschlichen Bewusstseins ist heute eher eine philosophische als eine biologische Frage. Es besteht kein Zweifel, dass ein Mensch in der Entwicklung seines Intellekts beispiellose Höhen erreicht hat. Aber gibt es etwas qualitativ Neues in der Struktur und Arbeit unseres Gehirns? Höchstwahrscheinlich nicht. Hunde haben Emotionen, Affen können zählen und Delfine haben sogar einen Anschein von Sprache mit grammatikalischen und kulturellen Unterschieden in verschiedenen Teilen der Welt. Wenn wir Tiere untersuchen, verstehen wir intuitiv, dass einige von ihnen sich ihrer eigenen Existenz zumindest aus der Ferne bewusst sind. Aber wir verstehen immer noch nicht ganz, was genau hinter diesem Bewusstsein steckt. Einfach gesagt, wir wissen nicht, was Bewusstsein ist.
Foto: Depositphotos.com/vitaliy_sokol
In den letzten Jahren hat die Neurobiologie beispiellose Höhen erreicht. Wir haben eine gute Vorstellung davon, wie Nervenzellen funktionieren, wie sie aktiviert oder unterdrückt werden und wie sie miteinander interagieren. Wir wissen, welche Veränderungen in der Zusammensetzung dieser Zellen während des Lernens und der Gedächtnisbildung auftreten. Wir wissen, welche Teile des Gehirns für dieses oder jenes Verhalten verantwortlich sind.
Zu wissen, dass der präfrontale Kortex in irgendeiner Weise mit sozialen Interaktionen verbunden ist und die darin enthaltenen Neuronen sich gegenseitig mit speziellen Molekülen und elektrischen Feldern bombardieren, bedeutet keineswegs zu verstehen, wie das eine vom anderen kommt. Heute machen Wissenschaftler die ersten Versuche, den Betrieb der einfachsten neuronalen Netze zu simulieren: Die vorhandenen Daten können das "Bewusstsein" von vielleicht Quallen eindeutig beschreiben. Die Wissenschaft ist noch nicht in der Lage, das menschliche Bewusstsein zu "hacken", egal wie sehr Science-Fiction-Liebhaber es wollen.
