Er zijn slechts vijf grote mysteries in de moderne biologie
Raadsel één: waar kwam het leven vandaan?
Biologie - vertaald uit het Griekse "wetenschap van het leven" - heeft geen idee waar het onderwerp van haar studie vandaan kwam. De situatie is niet uniek - natuurkundigen begrijpen bijvoorbeeld ook niet zo goed hoe de constante van Planck of de zwaartekracht precies is ontstaan. Maar alleen in de biologie hebben vragen over het "begin van het begin" misschien zo'n acute betekenis.
De Amerikaanse geneticus van Sovjet-afkomst Theodosius Dobrzhansky zei dat niets in deze wetenschap zinvol is als ze niet door de evolutietheorie wordt doorlopen.
Biologische wetenschap is gebaseerd op de klassieke, beschrijvende disciplines: zoölogie, plantkunde, microbiologie, enz. En op de een of andere manier is het vanzelfsprekend dat het doel van het onderzoek van elk van hen de meest gedetailleerde verduidelijking is van een of andere tak van de evolutionaire boom.
Tegelijkertijd is in de afgelopen honderd jaar een groot deel van de biologie vertakt van de oorspronkelijke, beschrijvende wetenschap en versmolten met de geneeskunde tot één biomedische tak. Het wordt gekenmerkt door een andere benadering, analytisch. De wetenschapper beschrijft niet alleen de muis - hij ent er nieuwe genen op en observeert het resultaat. Maar waarom zijn we zo geïnteresseerd in muizen, apen en fruitvliegjes? Het antwoord is simpel: dankzij de evolutietheorie weten we dat het werk van het muizenorganisme fundamenteel niet verschilt van het werk van onszelf. Als gevolg hiervan heeft analytische biologie veel meer praktische voordelen dan beschrijvende biologie.
Maar er is een derde vorm van biologie, die tegenwoordig net begint op te duiken. De "analytische" bioloog van vandaag modificeert een levend organisme om te begrijpen hoe het werkt. Morgen zal hij hiervoor vanuit het niets organismen creëren - dit is de benadering van synthetische biologie.
De zekerste manier om de structuur van een mechanisme te begrijpen, is door het zelf te bouwen. Nu al zijn wetenschappers in staat om hele genomen in een reageerbuis te synthetiseren en ze in een levende cel te laten werken. Dit experiment laat ondubbelzinnig zien welke genen nodig zijn voor het bestaan van leven - wat betekent dat het ongekende mogelijkheden opent voor hun modificatie, modificatie en onderwerping aan onze wil. De ontdekkingen van de analytische biologie gebeuren "van boven naar beneden": het organisme wordt afgebroken in zo min mogelijk basiscomponenten. Synthetische biologie daarentegen onderzoekt levende wezens "van onderaf": het hele organisme is samengesteld uit zoveel mogelijk basiscomponenten.
Promotie video:
Maar hoe begin je met het 'synthetiseren van het leven' als er zo weinig is dat wordt begrepen in het ontstaan van het leven? In het eerder genoemde voorbeeld met een kunstmatig genoom plaatsten wetenschappers het in een levende cel, waaruit het eigen DNA werd verwijderd. Dus van de twee belangrijkste componenten van levende wezens - de cel en de genen die deze bevat - zijn wetenschappers er tot dusver in geslaagd om er maar één te synthetiseren.
Het leven verscheen ongeveer 3,5 - 4 miljard jaar geleden op aarde: volgens geologische maatstaven bijna onmiddellijk na de vorming van de planeet 4,5 miljard jaar geleden. Maar elke serieuze 'kroniek' van de biologie van vandaag begint veel later: tegen die tijd ademden cellen al zuurstof in en synthetiseerden ze ijverig duizenden eiwitten, velen van hen zijn al lang verenigd in meercellige organismen die al wisten hoe te paren, actief voedsel te zoeken en zelfs informatie te onthouden.
Voor een synthetisch bioloog zijn de oudste evolutiestadia, die in eeuwen verloren zijn gegaan, van fundamenteel belang, waarin de basisprincipes van het organiseren van levende wezens werden gelegd. Waarom zijn eiwitten bijvoorbeeld uitsluitend samengesteld uit linksdraaiende aminozuren? De chemische structuur van deze "bolletjes" van eiwitketens is zodanig dat ze in twee gespiegelde vormen kunnen voorkomen, links en rechtsdraaiend genoemd. Het lijkt erop dat de chemische eigenschappen van deze moleculen niet verschillen: ze bestaan uit dezelfde atomen op dezelfde afstand van elkaar. Niettemin gebruiken alle levende wezens uitsluitend linksdraaiende aminozuren.
Heeft dit een diepe betekenis, of is het een ongeluk dat we hebben geërfd van de "oorspronkelijke" cel? Is het mogelijk om een "rechtsdraaiend eiwit" te creëren? Een rechtsdraaiend organisme? Zullen ze verschillen van andere levende wezens? Deze mysteries houden rechtstreeks verband met de oorsprong van het leven. De lijst gaat maar door: is fosfor nodig in DNA? Is leven mogelijk zonder cel? Welke chemicaliën zijn nodig voor zelfreplicatie? De praktische mogelijkheden achter deze vragen zijn eindeloos.
Zelfs als het leven vanuit de ruimte naar de aarde werd gebracht, zoals velen geloven, verandert dit op geen enkele manier de vragen waarmee de evolutionaire - en synthetische - biologie van de toekomst wordt geconfronteerd. Als het leven niet op aarde verscheen, waar en vooral - hoe? Het is waarschijnlijk dat dit mysterie onopgelost zal blijven - hoewel niemand weet welke ontdekkingen morgen zullen brengen.
Alle organismen die tegenwoordig op de planeet leven, stammen af van één gemeenschappelijke voorouder. Maar deze voorouder bezat al een cel en al zijn basiscomponenten. De wetenschap weet niets over de doodlopende takken van de evolutie vóór de verschijning van een gemeenschappelijke voorouder, of over de vraag of er andere, parallelle 'levensbomen' waren.
Raadsel twee: waar komen we vandaan?
In welke vorm dan ook het leven voor het eerst op aarde verscheen, na drie en een half miljard jaar bracht de evolutie de directe voorouders voort van de soort Homo sapiens - Homo sapiens.
De oorsprong van deze unieke aap wordt veel beter begrepen dan de evolutie van de meeste andere soorten. Maar om voor de hand liggende redenen is onze aandacht voor het probleem veel groter dan bij andere dieren. We zijn niet erg geïnteresseerd in hoe de voorouders van woelmuizen of patrijzen over de continenten migreerden. Maar als het om onze naaste familieleden gaat, veranderen hun reizen over de wereld en interacties met elkaar in een echte historische detective.
Meer recentelijk hebben wetenschappers de hele genealogie van het menselijk ras op botten gebouwd. Skeletten die in verschillende delen van de wereld zijn gevonden, werden geanalyseerd op kenmerken als de structuur van de tanden en het volume van de schedel. Op basis van deze gegevens werden de skeletten gegroepeerd in soorten en op basis van hun overeenkomsten en verschillen werd een beeld gebouwd van de geleidelijke transformatie van domme apen tot slimme mensen met een stok in de hand.
Zoals de afgelopen jaren duidelijk werd, heeft zo'n beeld weinig met de werkelijkheid te maken. De evolutie van de naaste menselijke voorouders is niet een opeenvolgende transformatie van sommige soorten in andere, maar een vertakte boom met veel doodlopende takken. Het kan buitengewoon moeilijk zijn om te begrijpen hoe deze takken met elkaar zijn verbonden. Tegenwoordig helpen de nieuwste technologieën voor het analyseren van DNA dat is verkregen uit fossiele resten ons hierbij.
We zijn bijvoorbeeld getuige van een actievol wetenschappelijk drama over de relatie van onze directe voorouders - vroege Homo sapiens - met hun neven: Neanderthalers en Denisovans.
Heeft arbeid de mens geschapen?
Tot de 20e eeuw was archeologie een nogal wankele wetenschap, die geneigd was om in elk gevonden bot bewijs van menselijke grootheid te zien. Onder de slanke, maar totaal ongegronde hypothesen van de vroege archeologie valt het idee op dat de beheersing van gereedschappen - een naar verluidt ongekend fenomeen in de natuur - rechtstreeks het uiterlijk van mensen heeft bepaald. Echo's van deze hypothese worden gehoord in de naam van de soort Homo habilis - een bekwaam persoon die voorheen werd beschouwd als de oudste vertegenwoordiger van het geslacht Homo.
Het is vandaag duidelijk dat het gebruik van gereedschappen verre van uniek is voor mensen. Met stenen en stokken werden bijvoorbeeld de oeroude apen - panantropen - goed beheerst. Moderne dieren, zoals raven, dolfijnen, olifanten en natuurlijk veel primaten gebruiken ook gereedschap. Wetenschappers maken nog steeds ruzie over wat er precies voor zorgde dat menselijke voorouders op hun benen stonden en een enorm brein ontwikkelden, maar de overdreven romantisering van 'vaardigheid' is tegenwoordig achterhaald.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
In 2010 werd het Neanderthaler-genoom gedecodeerd. Op basis van de analyse van de verkregen gegevens werd geconcludeerd dat deze soort, die voorheen als onafhankelijk werd beschouwd, in feite actief kruiste met onze voorouders en van 1 tot 4% van de genetische informatie naar het DNA van een moderne Europeaan bracht.
Niet lang daarvoor - in 2008 - werd een andere "neef" van een moderne man, een Denisoviet, ontdekt. Ook hij was er niet vies van om de "redelijke" jonge dames aan te vallen: de huidige inwoners van sommige regio's van Zuidoost-Azië hebben nog 3-5% van zijn DNA over.
Een tamelijk slank beeld van deze liefdesdriehoek stond enige tijd in de rij. In Afrika komen drie takken van het geslacht Homo voort uit een gemeenschappelijke voorouder. Neanderthalers migreren naar Europa, Denisovans naar Azië. Een derde tak blijft in Afrika. Ze verandert geleidelijk in een Homo sapiens en maakt een wandeling rond de wereld, waarbij ze de overeenkomstige genen in het westen en oosten "oppikt" van de "neven" die daar al leven. In de toekomst verdringt Homo sapiens zowel die als andere neven en nichten van de aardbodem (precies hoe - een andere witte vlek in de geschiedenis), maar behoudt de "afdrukken" van zowel Neanderthalers als Denisovans.
Recentelijk zijn wetenschappers van het Instituut voor Evolutionaire Antropologie in Leipzig er echter in geslaagd een deel van het genoom van de gemeenschappelijke voorouder van alle drie de takken van de menselijke evolutie te ontcijferen. Ondanks het feit dat deze voorouder nog geen Neanderthaler of Denisovan was, werd zijn stoffelijk overschot in Spanje gevonden - op basis van de geaccepteerde foto bleek dat hij Afrika moest verlaten en voet aan wal moest zetten op het pad van "neandertallisering".
De resultaten van de genetische analyse waren echter schokkend. Het DNA van de "Spaanse" man bleek veel dichter bij het genoom van de Denisovan te liggen, dat eigenlijk helemaal niet in Europa had mogen zijn! Het blijkt dat het hele beeld van onze relaties met de denisovamanen en neanderthalers verre van een onbetwistbaar feit is.
Het beschreven voorbeeld is slechts een van de vele open vragen van de moderne paleoantropologie. Alleen religieuze fanatici twijfelen er tegenwoordig aan dat de mens afstamt van een aap. Maar wat er precies gebeurde met onze voorouders een paar miljoen jaar, het scheiden van de afdaling van de bomen en de geregistreerde geschiedenis - over het algemeen is er nog steeds een mysterie.
Er zijn 78 nucleotidesubstituties geïdentificeerd die de moderne mens onderscheiden van Neanderthalers. De functies van 5 genen die worden gekenmerkt door meerdere substituties, zijn aangegeven. Sommigen van hen zijn actief in de huid en het haar, en zijn duidelijk betrokken bij het creëren van een "menselijk" uiterlijk en visuele waarneming (CAN15). Anderen worden duidelijk geassocieerd met de mentale kenmerken van een persoon. Een van de genen bepaalt de activiteit van sperma - waarschijnlijk is het geëvolueerd onder invloed van seksuele selectie.
Raadsel drie: wat is een virus?
In het geval van mensen, en inderdaad met de meeste moderne dieren en planten, kan men op zijn minst grofweg een verband leggen met evolutionaire voorouders. Virologen kunnen hier niet over opscheppen. In feite begrijpt de wetenschap nog steeds niet wat een virus is.
Feit is dat deze microscopisch kleine acellulaire parasieten helemaal niet in het systeem van de levende wereld passen. Alle levende wezens die ons bekend zijn, bestaan en komen uit cellen. Het virus bestaat ook alleen met behulp van cellen: het heeft een gastheer nodig om zichzelf te reproduceren. Als alle cellen plotseling van de planeet zouden verdwijnen, zouden virussen veranderen in betekenisloze bubbels van eiwitten en DNA, die niet in staat zijn tot enige biologische functie.
Hoe is zo'n vreemde vorm van materie ontstaan? Er zijn twee hoofdversies.
Eerste versie: virussen zijn weggelopen genen. Zo'n scenario is niet moeilijk voor te stellen. Er zijn elementen in ons genoom die transposons worden genoemd en die zichzelf uit het ene deel van het genoom kunnen snijden en zichzelf in een ander kunnen invoegen. Soms nemen deze "mobiele genen" andere stukjes DNA mee die in de buurt zijn. Aangenomen wordt dat miljarden jaren geleden een van deze 'beweegbare genen' per ongeluk in één set de minimale set verzamelde die nodig was voor een onafhankelijk bestaan: aan de linkerkant was er bijvoorbeeld een 'kopieerapparaat' nodig om DNA te reproduceren, en aan de rechterkant - een 'zakmes' met waarmee je in een nieuwe cel zou kunnen komen. Vanaf dat moment veranderde het gen in een virus en begon het zich los van het ouderorganisme te ontwikkelen.
Tweede versie: virussen zijn vereenvoudigde cellen. Een aantal wetenschappers neigt tegenwoordig tot deze versie, voornamelijk vanwege de ontdekking van een aantal gigantische virussen die qua grootte vergelijkbaar zijn met cellen. Volgens deze versie kunnen virussen ooit cellulaire organismen zijn geweest - bijvoorbeeld bacteriën. Deze bacteriën hebben geleerd te parasiteren op andere, grotere cellen. Geleidelijk raakten ze al het overbodige weg, inclusief hun eigen "cellulaire apparatuur" - en veranderden ze in virussen die slechts een paar genen en "tools" bevatten die nodig waren om te infecteren.
Deze hypothese wordt ondersteund door een historisch precedent. Iets soortgelijks gebeurde met mitochondriën - "energiestations" die onze cellen vormen. Ooit waren ze bacteriën, maar toen gingen ze een alliantie aan met grotere cellen, verloren ze hun onafhankelijkheid en zijn ze tegenwoordig een integraal onderdeel van hen.
Net als bij de oorsprong van het leven, is de geschiedenis van virussen door de eeuwen heen verloren gegaan. Virussen hebben geen botten of schelpen, ze laten geen fossielen of sporen achter in afzettingsgesteenten. Het is mogelijk dat virussen meerdere keren onafhankelijk (mogelijk op verschillende manieren) zijn verschenen. Het is vrijwel zeker bekend dat alle levende organismen uit één cel zijn voortgekomen. Of dit van toepassing is op "semi-levende" virussen is nog niet bekend.
Er is een derde versie van de oorsprong van virussen, volgens welke ze ontstonden nog voordat hun gastheren, cellen, verschenen. Volgens deze versie bestond oorspronkelijk de virosfeer van zichzelf reproducerende genetische elementen. Sommige van deze elementen kregen een cellulaire structuur en gaven uiteindelijk aanleiding tot alle drie de domeinen van het leven. Virussen gingen echter geleidelijk over op parasitisme en bleven evolueren parallel met hun cellulaire gastheren.
Raadsel vier: waarom hebben we slaap nodig?
We brengen een derde van ons leven door in een droom - en tegelijkertijd begrijpen we absoluut niet waarom. We weten iets over wat er in een droom gebeurt, en gedeeltelijk waarom een droom zou kunnen verschijnen. Maar de wetenschap kan de vraag waarom slaap zo noodzakelijk is, nog niet beantwoorden.
Circadiane ritmes in het algemeen en slaap in het bijzonder zijn duidelijk geassocieerd met de rotatie van de aarde rond de zon. Wat de kenmerken van het dier ook mogen zijn, voor bijna elk van hen is er een tijd van de dag waarop het veiliger is om niets te doen, maar gewoon rustig te zitten en niet uit te steken. Het is heel logisch dat slaap in deze "standby-modus" een manier had kunnen zijn om energie te besparen. De rest van de slaapfuncties - bijvoorbeeld het verwerken en verharden van het geheugen - verschenen waarschijnlijk als "add-ons" in deze modus.
Maar deze theorie verklaart helemaal niet waarom slaap zo noodzakelijk is. Het wetenschappelijk gedocumenteerde record voor opzettelijk slaapgebrek (zonder het gebruik van stimulerende middelen) bedraagt 11 dagen en behoort toe aan de Amerikaan Randy Gardner. Zelfs zo'n niet zo indrukwekkend record zou in een ramp kunnen eindigen: in 2012 stierf een Chinese voetbalfan die de hele nacht naar Euro 2012 had gekeken door een slapeloze marathon van vergelijkbare duur. Ziekten die het slaapmechanisme beschadigen, zijn buitengewoon gevaarlijk. Een ongeneeslijke erfelijke aandoening die fatale familiale slapeloosheid wordt genoemd, spreekt voor zich: na het begin van de symptomen leven patiënten nog geen jaar.
Projecties van hersengebieden die van activiteit veranderen na slaapgebrek. Groen geeft een afname van de activiteit aan, rood - een toename
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Zijn er dieren die niet slapen? Deze vraag werd gesteld door wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin in Madison. Na de beschikbare gegevens in overweging te hebben genomen, concludeerden ze: er is tot op heden geen enkel duidelijk en ondubbelzinnig bewezen geval van het bestaan van een "slaperig" dier. Dit sluit deze mogelijkheid niet uit: de auteurs benadrukken dat gegevens over slaap voor de meeste soorten uiterst schaars zijn.
Niettemin is de beschikbare informatie voldoende voor een vrij eenduidig beeld: noch mensen, noch ratten, noch zelfs vliegen met kakkerlakken kunnen zonder slaap leven. Alles wijst erop dat slaap dezelfde universele eigenschap is van levende wezens als ademhaling of erfelijkheid. Maar als de betekenis van het laatste vandaag duidelijk is, dan zullen wetenschappers veel moeten zweten over de rol van slaap.
Waar droomt een vlieg over?
Nieuwe technologieën hebben ons vermogen om slaap bij andere soorten te bestuderen aanzienlijk verbeterd. Met moderne apparatuur kun je bijvoorbeeld iets maken dat lijkt op een elektro-encefalogram … van een slapende vlieg. Vorig jaar lieten onderzoekers van de University of Queensland in Australië in een onderzoek zien dat vliegen niet alleen slapen, maar ook verschillende slaapfasen hebben - net als wij. Deze fasen variëren in diepte en wisselen elkaar 's nachts af, waarbij de "diepe slaap" -tijd toeneemt als de vliegen erg moe worden. Over het algemeen lijkt vliegenslaap zo veel op de onze dat wetenschappers het gebruik van fruitvliegjes als model voor het bestuderen van afwijkingen die worden gekenmerkt door slaapstoornissen, met macht bespreken.
Foto: depositphotos.com/Tomatito
Raadsel vijf: wat is "ik"?
Het laatste mysterie dat de huidige biologie aan het afbreken is, houdt ook verband met zenuwactiviteit, maar veel complexer dan de slaap van Drosophila. Bewustzijn is zo'n complex en moeilijk te omschrijven proces dat iemand het lange tijd arrogant heeft gedefinieerd als zijn eigen unieke eigenschap.
Tegenwoordig is het unieke van het menselijk bewustzijn eerder een filosofische dan een biologische vraag. Het lijdt geen twijfel dat iemand ongekende hoogten heeft bereikt in de ontwikkeling van zijn intellect. Maar is er kwalitatief iets nieuws in de structuur en het werk van onze hersenen? Waarschijnlijk niet. Honden hebben emoties, apen kunnen tellen en dolfijnen hebben zelfs een schijn van taal met grammatica en culturele verschillen in verschillende delen van de wereld. Als we dieren bestuderen, begrijpen we intuïtief dat sommigen van hen zich op zijn minst enigszins bewust zijn van hun eigen bestaan. Maar we begrijpen nog steeds niet helemaal wat er precies achter dit bewustzijn schuilgaat. Simpel gezegd, we weten niet wat bewustzijn is.
Foto: depositphotos.com/vitaliy_sokol
De neurobiologie heeft de afgelopen jaren ongekende hoogten bereikt. We hebben een goed idee van hoe zenuwcellen werken, hoe ze worden geactiveerd of onderdrukt en hoe ze met elkaar omgaan. We weten wat er verandert in de samenstelling van deze cellen tijdens het leren en geheugenvorming. We weten welke delen van de hersenen verantwoordelijk zijn voor dit of dat gedrag.
Maar weten dat de prefrontale cortex op de een of andere manier verbonden is met sociale interacties, en dat de neuronen erin elkaar bombarderen met speciale moleculen en elektrische velden, betekent helemaal niet dat we begrijpen hoe de een van de ander komt. Tegenwoordig doen wetenschappers de allereerste pogingen om de werking van de eenvoudigste neurale netwerken te simuleren: de bestaande gegevens kunnen een unieke beschrijving geven van het "bewustzijn" van misschien kwallen. De wetenschap is nog niet in staat om het menselijk bewustzijn te 'hacken', hoeveel sciencefictionliefhebbers het ook willen.
