Il n'y a que cinq grands mystères en biologie moderne
Première énigme: d'où vient la vie?
La biologie - traduite du grec «science de la vie» - n'a aucune idée d'où vient le sujet de son étude. La situation n'est pas unique - les physiciens, par exemple, ne comprennent pas non plus très bien comment exactement la constante de Planck ou la force de gravité est apparue. Mais seulement en biologie, peut-être, les questions sur le «début des commencements» ont une signification aussi aiguë.
Le généticien américain d'origine soviétique Théodose Dobrjhansky a dit que rien dans cette science n'a de sens si elle n'est pas passée par la théorie de l'évolution.
La science biologique s'appuie sur les disciplines classiques et descriptives: zoologie, botanique, microbiologie, etc. Et d'une manière ou d'une autre, il va sans dire que le but de la recherche de chacun d'eux est la clarification la plus détaillée de l'une ou l'autre branche de l'arbre évolutionnaire.
Dans le même temps, au cours des cent dernières années, une grande partie de la biologie s'est éloignée de la science originale et descriptive et a fusionné avec la médecine, formant une seule branche biomédicale. Il se caractérise par une approche différente, analytique. Le scientifique ne décrit pas seulement la souris - il y greffe de nouveaux gènes et observe le résultat. Mais pourquoi sommes-nous si intéressés par les souris, les singes et les mouches des fruits? La réponse est simple: grâce à la théorie de l'évolution, nous savons que le travail de l'organisme de la souris n'est fondamentalement pas différent du travail du nôtre. En conséquence, la biologie analytique présente bien plus d'avantages pratiques que la biologie descriptive.
Mais il existe une troisième forme de biologie, qui commence à peine à émerger ces jours-ci. Le biologiste «analytique» d'aujourd'hui modifie un organisme vivant pour comprendre son fonctionnement. Demain, il créera des organismes à partir de rien pour cela - c'est l'approche de la biologie synthétique.
En effet, le moyen le plus sûr de comprendre la structure de tout mécanisme est de le construire vous-même. Déjà aujourd'hui, les scientifiques sont capables de synthétiser des génomes entiers dans un tube à essai et de les faire fonctionner dans une cellule vivante. Cette expérience montre sans ambiguïté quels gènes sont nécessaires à l'existence de la vie - ce qui signifie qu'elle ouvre des opportunités sans précédent pour leur modification, modification et soumission à notre volonté. Les découvertes de la biologie analytique se font «de haut en bas»: l'organisme est décomposé en composants aussi basiques que possible. La biologie synthétique, quant à elle, explore les êtres vivants «de bas en haut»: tout l'organisme est composé d'autant de composants de base que possible.
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Mais comment commencer à "synthétiser la vie" s'il y a si peu de chose comprise dans l'origine de la vie? Dans l'exemple susmentionné avec un génome artificiel, les scientifiques l'ont inséré dans une cellule vivante, à partir de laquelle son propre ADN a été retiré. Ainsi, des deux composants principaux des êtres vivants - la cellule et les gènes qu'elle contient - les scientifiques ont jusqu'à présent réussi à n'en synthétiser qu'un seul.
La vie est apparue sur Terre il y a environ 3,5 à 4 milliards d'années: selon les normes géologiques, presque immédiatement après la formation de la planète il y a 4,5 milliards d'années. Mais toute «chronique» sérieuse de la biologie d'aujourd'hui commence bien plus tard: à ce moment-là, les cellules respiraient déjà de l'oxygène, synthétisant diligemment des milliers de protéines, dont beaucoup sont depuis longtemps unies en organismes multicellulaires qui savaient déjà comment s'accoupler, rechercher activement de la nourriture et même mémoriser des informations.
Pour un biologiste synthétique, les étapes les plus anciennes de l'évolution, perdues au cours des siècles, sont d'une importance fondamentale, au cours desquelles les principes de base de l'organisation des êtres vivants ont été posés. Pourquoi, par exemple, les protéines sont-elles exclusivement composées d'acides aminés lévogyres? La structure chimique de ces "billes" de chaînes protéiques est telle qu'elles peuvent exister sous deux formes en miroir, appelées gauches et dextrogyre. Il semblerait que les propriétés chimiques de ces molécules ne diffèrent pas: elles sont constituées des mêmes atomes aux mêmes distances les unes des autres. Néanmoins, tous les êtres vivants utilisent exclusivement des acides aminés lévogyres.
Y a-t-il un sens profond à cela, ou est-ce un accident que nous avons hérité de la cellule «d'origine»? Est-il possible de créer une "protéine dextrogyre"? Un organisme dextrogyre? Seront-ils différents des autres êtres vivants? Ces mystères sont directement liés à l'origine de la vie. La liste est longue: le phosphore est-il nécessaire dans l'ADN? La vie est-elle possible sans cellule? Quels produits chimiques sont nécessaires pour l'auto-réplication? Les possibilités pratiques derrière ces questions sont infinies.
Même si la vie a été amenée sur Terre depuis l'espace, comme beaucoup le pensent, cela ne change en rien les questions auxquelles est confrontée la biologie évolutive - et synthétique - du futur. Si la vie n'est pas apparue sur Terre, alors où et surtout - comment? Il est probable que ce mystère restera non résolu - même si personne ne sait ce que les découvertes de demain apporteront.
Tous les organismes vivant sur la planète aujourd'hui descendent d'un ancêtre commun. Mais cet ancêtre possédait déjà une cellule et tous ses composants de base. La science ne sait rien des branches sans issue de l'évolution avant l'apparition d'un ancêtre commun, ni de l'existence d'autres «arbres de vie» parallèles.
Énigme 2: d'où venons-nous?
Quelle que soit la forme de la vie sur Terre, après trois milliards et demi d'années, l'évolution a donné naissance aux ancêtres directs de l'espèce Homo sapiens - Homo sapiens.
L'origine de ce singe unique est bien mieux comprise que l'évolution de la plupart des autres espèces. Mais pour des raisons évidentes, notre attention à la question est beaucoup plus élevée que lorsqu'elle est appliquée à d'autres animaux. Nous ne sommes pas très intéressés par la manière dont les ancêtres des campagnols ou des perdrix ont migré à travers les continents. Mais lorsqu'il s'agit de nos plus proches parents, leurs voyages à travers le monde et leurs interactions se transforment en un véritable détective historique.
Plus récemment, les scientifiques ont construit toute la généalogie de la race humaine sur des os. Les squelettes trouvés dans différentes parties du monde ont été analysés pour des caractéristiques telles que la structure des dents et le volume du crâne. Sur la base de ces données, les squelettes ont été regroupés en espèces et, sur la base de leurs similitudes et de leurs différences, une image de la transformation progressive des singes stupides en personnes intelligentes avec un bâton à la main a été construite.
Comme il est devenu clair ces dernières années, une telle image a peu à voir avec la réalité. L'évolution des ancêtres humains les plus proches n'est pas une transformation séquentielle de certaines espèces en d'autres, mais un arbre ramifié avec de nombreuses branches sans issue. Il peut être extrêmement difficile de comprendre comment ces branches sont liées les unes aux autres. Aujourd'hui, les dernières technologies d'analyse de l'ADN obtenu à partir de fossiles nous y aident.
Par exemple, nous assistons à un drame scientifique plein d'action sur la relation de nos ancêtres directs - les premiers Homo sapiens - avec leurs cousins: les Néandertaliens et les Denisoviens.
Le travail a-t-il créé l'homme?
Jusqu'au 20e siècle, l'archéologie était une science plutôt fragile, encline à voir des preuves de la grandeur humaine dans chaque os trouvé. Parmi les hypothèses minces, mais totalement infondées de l'archéologie primitive, l'idée ressort que la maîtrise des outils - un phénomène prétendument sans précédent dans la nature - déterminait directement l'apparence des personnes. Des échos de cette hypothèse sont entendus au nom de l'espèce Homo habilis - une personne qualifiée qui était auparavant considérée comme le représentant le plus ancien du genre Homo.
Il est évident aujourd'hui que l'utilisation des outils est loin d'être unique aux humains. Avec des pierres et des bâtons, par exemple, les anciens singes - pananthropes, étaient bien contrôlés. Les animaux modernes, tels que les corbeaux, les dauphins, les éléphants et, bien sûr, de nombreux primates utilisent également des outils. Les scientifiques se disputent encore sur ce qui a poussé les ancêtres humains à se tenir debout et à développer un énorme cerveau, mais la romantisation excessive du «talent» est dépassée aujourd'hui.
Photo: depositphotos.com/poeticpenguin
En 2010, le génome de Néandertal a été décodé. Sur la base de l'analyse des données obtenues, il a été conclu que cette espèce, auparavant considérée comme indépendante, se croisait en fait activement avec nos ancêtres et apportait de 1 à 4% d'informations génétiques dans l'ADN d'un Européen moderne.
Peu de temps auparavant, en 2008, un autre "cousin" d'un homme moderne, un Denisovite, a été découvert. Lui aussi n'était pas opposé à l'idée de frapper les jeunes femmes «raisonnables»: les résidents d'aujourd'hui de certaines régions d'Asie du Sud-Est ont encore 3 à 5% de son ADN.
Depuis quelque temps, une image plutôt élancée de ce triangle amoureux s'alignait. En Afrique, trois branches du genre Homo proviennent d'un ancêtre commun. Les Néandertaliens migrent vers l'Europe, les Denisoviens vers l'Asie. Une troisième branche reste en Afrique. Elle se transforme progressivement en Homo sapiens et fait un tour du monde, "ramassant" les gènes correspondants à l'ouest et à l'est des "cousins" qui y vivent déjà. À l'avenir, Homo sapiens déplace ces cousins et d'autres de la face de la Terre (exactement comment - une autre tache blanche de l'histoire), mais conserve les «empreintes» des Néandertaliens et des Denisoviens.
Cependant, plus récemment, des scientifiques de l'Institut d'anthropologie évolutive de Leipzig ont réussi à déchiffrer une partie du génome de l'ancêtre commun des trois branches de l'évolution humaine. Malgré le fait que cet ancêtre n'était pas encore néandertalien ou Denisovan, ses restes ont été retrouvés en Espagne - sur la base de l'image acceptée, il s'est avéré qu'il devait quitter l'Afrique et mettre le pied sur la voie de la «néandertalisation».
Cependant, les résultats de l'analyse génétique étaient choquants. L'ADN de l'homme "espagnol" s'est avéré être beaucoup plus proche du génome du Denisovan, qui n'aurait pas du tout dû être en Europe! Il s'avère que le tableau d'ensemble de nos relations avec les Denisoviens et les Néandertaliens est loin d'être un fait incontestable.
L'exemple décrit n'est qu'une des nombreuses questions ouvertes de la paléoanthropologie moderne. Seuls les fanatiques religieux doutent aujourd'hui que l'homme descende d'un singe. Mais ce qui est arrivé exactement à nos ancêtres il y a quelques millions d'années, séparant la descente des arbres et l'histoire enregistrée - dans l'ensemble, un mystère demeure.
78 substitutions de nucléotides ont été identifiées qui distinguent les humains modernes des Néandertaliens. Les fonctions de 5 gènes caractérisés par de multiples substitutions sont indiquées. Certains d'entre eux sont actifs sur la peau et les cheveux, et sont clairement impliqués dans la création d'une apparence et d'une perception visuelle «humaines» (CAN15). D'autres, évidemment, sont associés aux caractéristiques mentales d'une personne. L'un des gènes détermine l'activité du sperme - probablement, il a évolué sous l'influence de la sélection sexuelle.
Troisième énigme: qu'est-ce qu'un virus?
Dans le cas des humains, et en fait avec la plupart des animaux et des plantes modernes, on peut au moins établir un lien avec les ancêtres évolutionnaires. Les virologues ne peuvent pas s'en vanter. En fait, la science ne comprend toujours pas ce qu'est un virus.
Le fait est que ces parasites acellulaires microscopiques ne rentrent pas du tout dans le système du monde vivant. Tous les êtres vivants que nous connaissons consistent et proviennent de cellules. Le virus n'existe également qu'à l'aide de cellules: il a besoin d'un hôte pour se reproduire. Si toutes les cellules disparaissaient soudainement de la planète, alors les virus se transformeraient en bulles insignifiantes de protéines et d'ADN, incapables de toute fonction biologique.
Comment une forme de matière aussi étrange at-elle existé? Il existe deux versions principales.
Première version: les virus sont des gènes incontrôlables. Un tel scénario n'est pas difficile à imaginer. Il y a des éléments dans notre génome appelés transposons qui peuvent se couper d'une partie du génome et s'insérer dans une autre. Parfois, ces «gènes mobiles» emportent avec eux d'autres morceaux d'ADN qui se trouvent dans le quartier. On suppose qu'il y a des milliards d'années, l'un de ces «gènes mobiles» a accidentellement assemblé en un seul ensemble l'ensemble minimum nécessaire à une existence indépendante: à gauche, par exemple, il y avait une «machine à copier» nécessaire pour reproduire l'ADN, et à droite - un «canif» avec avec lequel vous pourriez entrer dans une nouvelle cellule. À partir de ce moment, le gène s'est transformé en virus et a commencé à évoluer séparément de l'organisme parent.
Deuxième version: les virus sont des cellules simplifiées. Un certain nombre de scientifiques sont aujourd'hui enclins à cette version principalement en raison de la découverte d'un certain nombre de virus géants comparables en taille aux cellules. Selon cette version, les virus peuvent avoir été autrefois des organismes cellulaires - par exemple, des bactéries. Ces bactéries ont appris à parasiter d'autres cellules plus grandes. Peu à peu, ils se sont débarrassés de tout ce qui n'était pas nécessaire, y compris leur propre «équipement cellulaire» - et se sont ainsi transformés en virus qui ne conservaient que quelques gènes et «outils» nécessaires à l'infection.
Cette hypothèse est étayée par un précédent historique. Quelque chose de similaire s'est produit avec les mitochondries - des «stations énergétiques» qui composent nos cellules. Autrefois, elles étaient des bactéries, mais elles ont ensuite conclu une alliance avec des cellules plus grandes, ont perdu leur indépendance et aujourd'hui elles en font partie intégrante.
Comme pour l'origine de la vie, l'histoire des virus se perd au fil des siècles. Les virus n'ont ni os ni coquilles, ils ne laissent pas de fossiles ou de traces dans les roches sédimentaires. Il est possible que les virus soient apparus plusieurs fois indépendamment (éventuellement de différentes manières). On sait presque certainement que tous les organismes vivants proviennent d'une seule cellule. On ne sait toujours pas si cela s'applique aux virus «semi-vivants».
Il existe une troisième version de l'origine des virus, selon laquelle ils sont apparus avant même que leurs hôtes, les cellules, n'apparaissent. Selon cette version, la virosphère des éléments génétiques auto-reproducteurs existait à l'origine. Certains de ces éléments ont acquis une structure cellulaire et ont finalement donné naissance aux trois domaines de la vie. Les virus, cependant, sont progressivement passés au parasitisme et ont continué à évoluer en parallèle avec leurs hôtes cellulaires.
Quatrième énigme: pourquoi avons-nous besoin de sommeil?
Nous passons un tiers de notre vie dans un rêve - et en même temps, nous ne comprenons absolument pas pourquoi. Nous savons quelque chose sur ce qui se passe dans un rêve, et en partie pourquoi un rêve peut apparaître. Mais la science ne peut pas encore répondre à la question de savoir pourquoi le sommeil est si nécessaire.
Les rythmes circadiens en général et le sommeil en particulier sont évidemment associés à la rotation de la Terre autour du Soleil. Quelles que soient les caractéristiques de l'animal, pour presque tous les animaux, il y a un moment de la journée où il est plus sûr de ne rien faire, mais de rester assis tranquillement et de ne pas sortir du lot. Il est tout à fait logique que le sommeil ait pu apparaître comme un moyen d'économiser de l'énergie dans ce «mode veille». Le reste des fonctions de veille - par exemple, le traitement et le durcissement de la mémoire - est probablement apparu comme des "modules complémentaires" sur ce mode.
Mais cette théorie n'explique pas du tout pourquoi le sommeil est si nécessaire. Le record scientifiquement documenté de privation intentionnelle de sommeil (sans utilisation de stimulants) est de 11 jours et appartient à l'Américain Randy Gardner. Même un record aussi pas si impressionnant pourrait se terminer par un désastre: en 2012, un fan de football chinois qui a regardé l'Euro 2012 toute la nuit est mort d'un marathon sans sommeil d'une durée similaire. Les maladies qui endommagent les mécanismes du sommeil sont extrêmement dangereuses. Un trouble héréditaire incurable appelé insomnie familiale fatale parle de lui-même: après l'apparition des symptômes, les patients ne vivent même pas un an.
Projections des zones du cerveau qui changent d'activité après une privation de sommeil. Le vert indique une diminution de l'activité, le rouge - une augmentation
Photo: cercor.oxfordjournals.org
Y a-t-il des animaux qui ne dorment pas? Cette question a été posée par des scientifiques de l'Université du Wisconsin à Madison. Après avoir examiné les données disponibles, ils ont conclu: il n'y a pas un seul cas clairement et sans équivoque prouvé de l'existence d'un animal «endormi» à ce jour. Cela n'exclut pas cette possibilité: les auteurs soulignent que les données sur le sommeil pour la plupart des espèces sont extrêmement rares.
Néanmoins, les informations disponibles sont suffisantes pour une image assez claire: ni les humains, ni les rats, ni même les mouches avec des cafards ne peuvent vivre sans dormir. Tout indique que le sommeil est la même propriété universelle des êtres vivants que la respiration ou l'hérédité. Mais si la signification de ce dernier est aujourd'hui évidente, alors les scientifiques devront beaucoup transpirer sur le rôle du sommeil.
De quoi rêve une mouche?
Les nouvelles technologies ont considérablement amélioré notre capacité à étudier le sommeil chez d'autres espèces. Par exemple, un équipement moderne vous permet de filmer quelque chose de similaire à un électroencéphalogramme … à partir d'une mouche endormie. Dans une étude de l'année dernière, des chercheurs de l'Université du Queensland en Australie ont montré que les mouches non seulement dorment, mais ont également des phases de sommeil différentes - tout comme nous. Ces phases varient en profondeur et alternent pendant la nuit, le temps de «sommeil profond» augmentant si les mouches sont très fatiguées. De manière générale, le sommeil des mouches est si similaire au nôtre que les scientifiques discutent avec force et principalement de l'utilisation des mouches des fruits comme modèle pour étudier les anomalies caractérisées par des troubles du sommeil.
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Énigme cinq: qu'est-ce que «je»?
Le dernier mystère que la biologie d'aujourd'hui est en train de décomposer est également lié à l'activité nerveuse, mais beaucoup plus complexe que le sommeil de la drosophile. La conscience est un processus si complexe et difficile à définir que pendant longtemps une personne l'a définie avec arrogance comme sa propre propriété unique.
Aujourd'hui, le caractère unique de la conscience humaine est une question philosophique plutôt que biologique. Il ne fait aucun doute qu'une personne a atteint des sommets sans précédent dans le développement de son intellect. Mais y a-t-il quelque chose de qualitativement nouveau dans la structure et le travail de notre cerveau? Probablement pas. Les chiens ont des émotions, les singes peuvent compter et les dauphins ont même un semblant de langage avec des différences grammaticales et culturelles dans différentes parties du monde. En étudiant les animaux, nous comprenons intuitivement que certains d'entre eux sont au moins à distance conscients de leur propre existence. Mais nous ne comprenons toujours pas complètement ce qui se cache exactement derrière cette prise de conscience. En termes simples, nous ne savons pas ce qu'est la conscience.
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Ces dernières années, la neurobiologie a atteint des sommets sans précédent. Nous avons une bonne idée du fonctionnement des cellules nerveuses, de la façon dont elles sont activées ou supprimées et comment elles interagissent les unes avec les autres. Nous savons quels changements dans la composition de ces cellules au cours de l'apprentissage et de la formation de la mémoire. Nous savons quelles parties du cerveau sont responsables de tel ou tel comportement.
Mais savoir que le cortex préfrontal est en quelque sorte lié aux interactions sociales, et que les neurones qu'il contient se bombardent mutuellement de molécules spéciales et de champs électriques, ne veut pas du tout comprendre comment l'un obtient de l'autre. Aujourd'hui, les scientifiques font les toutes premières tentatives pour simuler le fonctionnement des réseaux de neurones les plus simples: les données existantes peuvent décrire de manière unique la «conscience» de peut-être des méduses. La science n'est pas encore capable de «pirater» la conscience humaine, peu importe à quel point les amateurs de science-fiction la veulent.