Existem apenas cinco mistérios principais na biologia moderna
Enigma um: de onde veio a vida?
Biologia - traduzido do grego "ciência da vida" - não tem ideia de onde veio o assunto de seu estudo. A situação não é única - os físicos, por exemplo, também não entendem muito bem como exatamente surgiu a constante de Planck ou a força da gravidade. Mas apenas em biologia, talvez, as questões sobre o "início dos começos" tenham um significado tão agudo.
O geneticista americano de origem soviética Theodosius Dobrzhansky disse que nada nesta ciência faz sentido se não for transmitido pela teoria da evolução.
A ciência biológica é baseada nas disciplinas clássicas descritivas: zoologia, botânica, microbiologia, etc. E, de alguma forma, nem é preciso dizer que o propósito da pesquisa de cada um deles é o esclarecimento mais detalhado de um ou outro ramo da árvore evolutiva.
Ao mesmo tempo, nos últimos cem anos, uma grande parte da biologia se ramificou da ciência descritiva original e se fundiu com a medicina, formando um único ramo biomédico. É caracterizada por uma abordagem diferenciada, analítica. O cientista não apenas descreve o camundongo - ele enxerta novos genes nele e observa o resultado. Mas por que estamos tão interessados em ratos, macacos e moscas da fruta? A resposta é simples: graças à teoria da evolução, sabemos que o trabalho do organismo do camundongo não difere fundamentalmente do nosso trabalho. Como resultado, a biologia analítica tem muito mais benefícios práticos do que a biologia descritiva.
Mas existe uma terceira forma de biologia, que está apenas começando a surgir hoje em dia. O biólogo “analítico” de hoje modifica um organismo vivo para entender como ele funciona. Amanhã ele criará organismos do zero para isso - essa é a abordagem da biologia sintética.
Na verdade, a maneira mais segura de compreender a estrutura de qualquer mecanismo é construí-lo você mesmo. Já hoje, os cientistas são capazes de sintetizar genomas inteiros em um tubo de ensaio e fazê-los funcionar em uma célula viva. Este experimento mostra de forma inequívoca quais genes são necessários para a existência da vida - o que significa que abre oportunidades sem precedentes para sua modificação, modificação e submissão à nossa vontade. As descobertas da biologia analítica são feitas "de cima para baixo": o organismo é decomposto em componentes tão básicos quanto possível. A biologia sintética, por outro lado, explora as coisas vivas "de baixo para cima": todo o organismo é composto de tantos componentes básicos quanto possível.
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Mas como começar a "sintetizar a vida" se há tão pouco que se compreende na origem da vida? No exemplo acima mencionado com um genoma artificial, os cientistas o inseriram em uma célula viva, da qual seu próprio DNA foi removido. Assim, dos dois principais componentes dos seres vivos - a célula e os genes que ela contém - os cientistas conseguiram até agora sintetizar apenas um.
A vida apareceu na Terra cerca de 3,5 - 4 bilhões de anos atrás: pelos padrões geológicos, quase imediatamente após a formação do planeta 4,5 bilhões de anos atrás. Mas qualquer "crônica" séria da biologia atual começa muito mais tarde: nessa época, as células já respiravam oxigênio, sintetizando diligentemente milhares de proteínas, muitas delas há muito tempo unidas em organismos multicelulares que já sabiam como se acasalar, buscar ativamente alimentos e até mesmo memorizar informações.
Para um biólogo sintético, os estágios mais antigos da evolução, perdidos em séculos, são de fundamental importância, durante os quais foram estabelecidos os princípios básicos da organização dos seres vivos. Por que, por exemplo, as proteínas são compostas exclusivamente de aminoácidos levógiros? A estrutura química dessas "contas" de cadeias de proteínas é tal que elas podem existir em duas formas espelhadas, chamadas de esquerda e dextrógira. Parece que as propriedades químicas dessas moléculas não diferem: elas consistem nos mesmos átomos nas mesmas distâncias uns dos outros. No entanto, todos os seres vivos usam aminoácidos exclusivamente levógiros.
Há um significado profundo nisso ou é um acidente que herdamos da célula "original"? É possível criar uma "proteína dextrógira"? Um organismo dextrógiro? Eles serão diferentes de outras coisas vivas? Esses mistérios estão diretamente relacionados à origem da vida. A lista continua: o fósforo é necessário no DNA? A vida é possível sem uma célula? Quais produtos químicos são necessários para a autorreplicação? As possibilidades práticas por trás dessas questões são infinitas.
Mesmo que a vida tenha sido trazida do espaço para a Terra, como muitos acreditam, isso não muda de forma alguma as questões que enfrentam a biologia evolucionária - e sintética - do futuro. Se a vida não apareceu na Terra, então onde, e mais importante - como? É provável que esse mistério permaneça sem solução - embora ninguém saiba o que as descobertas de amanhã trarão.
Todos os organismos que vivem no planeta hoje descendem de um ancestral comum. Mas esse ancestral já possuía uma célula e todos os seus componentes básicos. A ciência nada sabe sobre os ramos sem saída da evolução antes do aparecimento de um ancestral comum, ou sobre se existiram outras "árvores da vida" paralelas.
Enigma dois: de onde viemos?
Em qualquer forma de vida que apareceu pela primeira vez na Terra, depois de três bilhões e meio de anos, a evolução deu à luz os ancestrais diretos da espécie Homo sapiens - Homo sapiens.
A origem deste macaco único é muito mais bem compreendida do que a evolução da maioria das outras espécies. Mas, por razões óbvias, nossa atenção ao problema é muito maior do que quando aplicada a outros animais. Não estamos muito interessados em saber como os ancestrais das ratazanas ou perdizes migraram pelos continentes. Mas quando se trata de nossos parentes mais próximos, suas viagens ao redor do mundo e as interações uns com os outros se transformam em um verdadeiro detetive histórico.
Mais recentemente, os cientistas construíram toda a genealogia da raça humana sobre ossos. Esqueletos encontrados em diferentes partes do mundo foram analisados por características como a estrutura dos dentes e o volume do crânio. Com base nesses dados, os esqueletos foram agrupados em espécies e, com base em suas semelhanças e diferenças, foi construída uma imagem da transformação gradual de macacos estúpidos em pessoas inteligentes com um pedaço de pau nas mãos.
Como ficou claro nos últimos anos, esse quadro tem pouco a ver com a realidade. A evolução dos ancestrais humanos mais próximos não é uma transformação sequencial de algumas espécies em outras, mas uma árvore ramificada com muitos ramos sem saída. Pode ser extremamente difícil entender como esses ramos estão conectados uns aos outros. Hoje, as tecnologias mais recentes para analisar DNA obtido de restos fósseis nos ajudam nisso.
Por exemplo, estamos testemunhando um drama científico repleto de ação sobre o relacionamento de nossos ancestrais diretos - os primeiros Homo sapiens - com seus primos: Neandertais e Denisovanos.
O trabalho criou o homem?
Até o século 20, a arqueologia era uma ciência bastante instável, inclinada a ver evidências da grandeza humana em cada osso encontrado. Entre as hipóteses tênues, mas totalmente infundadas, da arqueologia primitiva, destaca-se a ideia de que o domínio das ferramentas - um fenômeno supostamente inédito na natureza - determinava diretamente a aparência das pessoas. Ecos dessa hipótese são ouvidos em nome da espécie Homo habilis - uma pessoa habilidosa que antes era considerada o mais antigo representante do gênero Homo.
É evidente hoje que o uso de ferramentas está longe de ser exclusivo dos humanos. Com pedras e paus, por exemplo, os antigos macacos - panantropos, eram bem controlados. Animais modernos, como corvos, golfinhos, elefantes e, é claro, muitos primatas também usam ferramentas. Os cientistas ainda discutem sobre o que exatamente fez os ancestrais humanos se erguerem e desenvolverem um cérebro enorme, mas a romantização excessiva da "habilidade" está desatualizada hoje.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
Em 2010, o genoma do Neandertal foi decodificado. Com base na análise dos dados obtidos, concluiu-se que esta espécie, antes considerada independente, de fato cruzou-se ativamente com nossos ancestrais e trouxe de 1 a 4% da informação genética para o DNA de um europeu moderno.
Não muito antes disso - em 2008 - outro "primo" de um homem moderno, um denisovita, foi descoberto. Ele também não era avesso a bater nas jovens "razoáveis": os residentes de hoje em algumas regiões do Sudeste Asiático têm de 3 a 5% de seu DNA restante.
Por algum tempo, uma imagem bastante delgada desse triângulo amoroso se alinhou. Na África, três ramos do gênero Homo surgem de um ancestral comum. Os neandertais migram para a Europa, os denisovanos para a Ásia. Um terceiro ramo permanece na África. Ela gradualmente se transforma em um Homo sapiens e sai para uma caminhada ao redor do mundo, "pegando" os genes correspondentes no oeste e no leste dos "primos" que já viviam lá. No futuro, o Homo sapiens desloca esses e outros primos da face da Terra (exatamente como - outra mancha branca na história), mas mantém as "marcas" de Neandertais e Denisovanos.
Porém, mais recentemente, cientistas do Instituto de Antropologia Evolucionária de Leipzig conseguiram decifrar parte do genoma do ancestral comum de todos os três ramos da evolução humana. Apesar de esse ancestral ainda não ser neandertal ou denisovano, seus restos mortais foram encontrados na Espanha - com base na foto aceita, descobriu-se que ele teve que deixar a África e trilhar o caminho da "neandertalização".
No entanto, os resultados da análise genética foram chocantes. O DNA do homem "espanhol" revelou-se muito mais próximo do genoma do Denisovan, que nem deveria estar na Europa! Acontece que todo o quadro de nossas relações com os denisovanos e os neandertais está longe de ser um fato indiscutível.
O exemplo descrito é apenas uma das muitas questões em aberto da paleoantropologia moderna. Só os fanáticos religiosos hoje duvidam que o homem descendesse de um macaco. Mas o que exatamente aconteceu com nossos ancestrais alguns milhões de anos, separando a descendência das árvores e a história registrada - em geral, um mistério ainda permanece.
Foram identificadas 78 substituições de nucleotídeos que distinguem os humanos modernos dos Neandertais. As funções de 5 genes que são caracterizados por múltiplas substituições são indicadas. Alguns deles são ativos na pele e no cabelo e estão claramente envolvidos na criação de uma aparência "humana" e percepção visual (CAN15). Outros, obviamente, estão associados às características mentais de uma pessoa. Um dos genes determina a atividade do esperma - provavelmente, ele evoluiu sob a influência da seleção sexual.
Enigma três: o que é um vírus?
No caso dos humanos, e de fato com a maioria dos animais e plantas modernos, pode-se pelo menos fazer uma conexão aproximada com ancestrais evolucionários. Os virologistas não podem se gabar disso. Na verdade, a ciência ainda não entende o que é um vírus.
O fato é que esses parasitas acelulares microscópicos não se encaixam de forma alguma no sistema do mundo vivo. Todas as coisas vivas que conhecemos consistem e vêm de células. O vírus também existe apenas com a ajuda de células: ele precisa de um hospedeiro para se reproduzir. Se todas as células desaparecessem repentinamente do planeta, os vírus se transformariam em bolhas sem sentido de proteínas e DNA, incapazes de quaisquer funções biológicas.
Como tal forma estranha de matéria existe? Existem duas versões principais.
Primeira versão: os vírus são genes em fuga. Esse cenário não é difícil de imaginar. Existem elementos em nosso genoma chamados transposons que podem se separar de uma parte do genoma e se inserir em outra. Às vezes, esses "genes móveis" levam consigo outros pedaços de DNA que estão na vizinhança. Supõe-se que bilhões de anos atrás, um desses "genes móveis" acidentalmente reuniu em um conjunto o conjunto mínimo necessário para a existência independente: à esquerda, por exemplo, havia uma "máquina copiadora" necessária para reproduzir o DNA, e à direita - um "canivete" com com o qual você pode entrar em uma nova célula. A partir desse momento, o gene se transformou em vírus e começou a evoluir separadamente do organismo original.
Segunda versão: os vírus são células simplificadas. Vários cientistas hoje estão inclinados a esta versão principalmente devido à descoberta de vários vírus gigantes comparáveis em tamanho às células. De acordo com essa versão, os vírus podem ter sido organismos celulares - por exemplo, bactérias. Essas bactérias aprenderam a parasitar outras células maiores. Gradualmente, eles se livraram de tudo o que era desnecessário, incluindo seus próprios "equipamentos celulares" - e assim se transformaram em vírus que retinham apenas alguns genes e "ferramentas" necessárias para infectar.
Essa hipótese é apoiada por precedentes históricos. Algo semelhante aconteceu com as mitocôndrias - "estações de energia" que constituem nossas células. Antes eram bactérias, mas depois fizeram aliança com células maiores, perderam sua independência e hoje são parte integrante delas.
Tal como acontece com a origem da vida, a história dos vírus se perdeu ao longo dos séculos. Os vírus não possuem ossos ou conchas, não deixam fósseis ou vestígios nas rochas sedimentares. É possível que os vírus tenham aparecido independentemente (possivelmente de maneiras diferentes) várias vezes. É quase certo que todos os organismos vivos se originaram de uma célula. Ainda não se sabe se isso se aplica a vírus "semi-vivos".
Há uma terceira versão da origem dos vírus, segundo a qual eles surgiram antes mesmo do aparecimento de seus hospedeiros, as células. De acordo com essa versão, a virosfera de elementos genéticos auto-reprodutores existia originalmente. Alguns desses elementos adquiriram uma estrutura celular e, por fim, deram origem aos três domínios da vida. Os vírus, entretanto, gradualmente mudaram para o parasitismo e continuaram a evoluir em paralelo com seus hospedeiros celulares.
Enigma quatro: por que precisamos dormir?
Passamos um terço de nossas vidas em sonhos - e ao mesmo tempo não entendemos absolutamente por quê. Sabemos algo sobre o que acontece em um sonho e, em parte, por que um sonho pode aparecer. Mas a ciência ainda não pode responder à questão de por que o sono é tão necessário.
Os ritmos circadianos em geral e o sono em particular estão obviamente associados à rotação da Terra em torno do Sol. Quaisquer que sejam as características do animal, para quase qualquer um deles há uma hora do dia em que é mais seguro não fazer nada, apenas ficar sentado quieto e não se sobressair. É bastante lógico que o sono possa ter surgido como uma forma de economizar energia neste "modo de espera". O resto das funções de suspensão - por exemplo, processamento e reforço da memória - provavelmente apareceram como "complementos" neste modo.
Mas essa teoria não explica de forma alguma por que o sono é tão necessário. O registro cientificamente documentado de privação de sono intencional (sem o uso de estimulantes) é de 11 dias e pertence ao americano Randy Gardner. Mesmo um recorde não tão impressionante pode terminar em desastre: em 2012, um fã de futebol chinês que assistiu ao Euro 2012 a noite toda morreu de uma maratona sem dormir de duração semelhante. As doenças que danificam os mecanismos do sono são extremamente perigosas. Um distúrbio hereditário incurável chamado Insônia Familial Fatal fala por si: após o início dos sintomas, os pacientes não vivem nem um ano.
Projeções de áreas do cérebro que mudam de atividade após a privação de sono. Verde indica uma diminuição na atividade, vermelho - um aumento
Foto: cercor.oxfordjournals.org
Existem animais que não dormem? Esta pergunta foi feita por cientistas da Universidade de Wisconsin em Madison. Tendo considerado os dados disponíveis, eles concluíram: não há um único caso clara e inequivocamente comprovado da existência de um animal "sonolento" até o momento. Isso não exclui essa possibilidade: os autores enfatizam que os dados sobre o sono para a maioria das espécies são extremamente escassos.
No entanto, a informação disponível é suficiente para um quadro bastante inequívoco: nem pessoas, nem ratos, nem mesmo moscas com baratas podem viver sem dormir. Tudo indica que o sono é a mesma propriedade universal das coisas vivas que a respiração ou a hereditariedade. Mas se o significado do último é óbvio hoje, os cientistas terão que se preocupar muito com o papel do sono.
O que uma mosca sonha?
Novas tecnologias têm avançado significativamente nossa capacidade de estudar o sono em outras espécies. Por exemplo, equipamentos modernos permitem que você filme algo semelhante a um eletroencefalograma … de uma mosca adormecida. Em um estudo no ano passado, pesquisadores da Universidade de Queensland, na Austrália, mostraram que as moscas não apenas dormem, mas também têm diferentes fases do sono - assim como nós. Essas fases variam em profundidade e se alternam durante a noite, com o tempo de “sono profundo” aumentando se as moscas ficarem muito cansadas. De modo geral, o sono das moscas é tão semelhante ao nosso que os cientistas estão discutindo com força o uso de moscas da fruta como modelo para estudar anormalidades caracterizadas por distúrbios do sono.
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Quinto enigma: o que sou "eu"?
O último mistério que a biologia de hoje está decifrando também está relacionado à atividade nervosa, mas muito mais complexo do que o sono da Drosophila. A consciência é um processo tão complexo e difícil de definir que por muito tempo uma pessoa arrogantemente a definiu como sua propriedade única.
Hoje, a singularidade da consciência humana é uma questão mais filosófica do que biológica. Não há dúvida de que uma pessoa atingiu níveis sem precedentes no desenvolvimento de seu intelecto. Mas existe algo qualitativamente novo na estrutura e no funcionamento do nosso cérebro? Provavelmente não. Os cães têm emoções, os macacos sabem contar e os golfinhos até têm uma linguagem semelhante, com diferenças gramaticais e culturais em diferentes partes do mundo. Estudando animais, intuitivamente entendemos que alguns deles estão, pelo menos remotamente, cientes de sua própria existência. Mas ainda não entendemos totalmente o que exatamente está por trás dessa consciência. Simplificando, não sabemos o que é consciência.
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Nos últimos anos, a neurobiologia atingiu níveis sem precedentes. Temos uma boa ideia de como as células nervosas funcionam, como são ativadas ou suprimidas e como interagem umas com as outras. Sabemos o que muda na composição dessas células durante o aprendizado e a formação da memória. Sabemos quais partes do cérebro são responsáveis por este ou aquele comportamento.
Mas saber que o córtex pré-frontal está de alguma forma conectado com as interações sociais, e os neurônios nele bombardeiam uns aos outros com moléculas especiais e campos elétricos, não significa de forma alguma entender como um sai do outro. Hoje, os cientistas estão fazendo as primeiras tentativas de simular a operação das redes neurais mais simples: os dados existentes podem descrever com exclusividade a "consciência" de talvez águas-vivas. A ciência ainda não é capaz de "hackear" a consciência humana, por mais que os amantes da ficção científica queiram.
