Solo hay cinco grandes misterios en la biología moderna
Acertijo uno: ¿de dónde vino la vida?
La biología, traducida del griego "ciencia de la vida", no tiene idea de dónde vino el tema de su estudio. La situación no es única: los físicos, por ejemplo, tampoco comprenden muy bien cómo surgió exactamente la constante de Planck o la fuerza de gravedad. Pero sólo en biología, quizás, las preguntas sobre el "comienzo de los comienzos" tienen un significado tan agudo.
El genetista estadounidense de origen soviético Theodosius Dobrzhansky dijo que nada en esta ciencia tiene sentido si no se pasa por la teoría de la evolución.
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La ciencia biológica se basa en las disciplinas clásicas y descriptivas: zoología, botánica, microbiología, etc. Y de alguna manera no hace falta decir que el propósito de la investigación de cada uno de ellos es la aclaración más detallada de una u otra rama del árbol evolutivo.
Al mismo tiempo, durante los últimos cien años, una gran parte de la biología se ha separado de la ciencia descriptiva original y se ha fusionado con la medicina, formando una sola rama biomédica. Se caracteriza por un enfoque diferente, analítico. El científico no solo describe al ratón, sino que le injerta nuevos genes y observa el resultado. Pero, ¿por qué estamos tan interesados en ratones, monos y moscas de la fruta? La respuesta es simple: gracias a la teoría de la evolución, sabemos que el trabajo del organismo del ratón no es fundamentalmente diferente del trabajo del nuestro. Como resultado, la biología analítica tiene muchos más beneficios prácticos que la biología descriptiva.
Pero hay una tercera forma de biología, que apenas está comenzando a surgir en estos días. El biólogo “analítico” actual modifica un organismo vivo para comprender cómo funciona. Mañana creará organismos desde cero para esto: este es el enfoque de la biología sintética.
De hecho, la forma más segura de comprender la estructura de cualquier mecanismo es construirlo usted mismo. Ya en la actualidad, los científicos pueden sintetizar genomas completos en un tubo de ensayo y hacer que funcionen en una célula viva. Este experimento muestra de manera inequívoca qué genes son necesarios para la existencia de la vida, lo que significa que abre oportunidades sin precedentes para su modificación, modificación y sumisión a nuestra voluntad. Los descubrimientos de la biología analítica se realizan "de arriba a abajo": el organismo se descompone en componentes tan básicos como sea posible. La biología sintética, por otro lado, explora los seres vivos "de abajo hacia arriba": todo el organismo está compuesto por tantos componentes básicos como sea posible.
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Pero, ¿cómo empezar a "sintetizar la vida" si hay tan poco que se entiende en el origen de la vida? En el ejemplo antes mencionado con un genoma artificial, los científicos lo insertaron en una célula viva, de la cual se extrajo su propio ADN. Por lo tanto, de los dos componentes principales de los seres vivos, la célula y los genes que contiene, los científicos hasta ahora han logrado sintetizar solo uno.
La vida apareció en la Tierra hace unos 3.5 - 4 mil millones de años: según los estándares geológicos, casi inmediatamente después de la formación del planeta hace 4.5 mil millones de años. Pero cualquier "crónica" seria de la biología actual comienza mucho más tarde: en ese momento, las células ya respiraban oxígeno, sintetizando diligentemente miles de proteínas, muchas de ellas desde hace mucho tiempo unidas en organismos multicelulares que ya sabían cómo aparearse, buscar activamente alimento e incluso memorizar información.
Para un biólogo sintético, las etapas de evolución más antiguas, perdidas en siglos, son de fundamental importancia, durante las cuales se establecieron los principios básicos de la organización de los seres vivos. ¿Por qué, por ejemplo, las proteínas están compuestas exclusivamente por aminoácidos levógiros? La estructura química de estas "perlas" de cadenas de proteínas es tal que pueden existir en dos formas reflejadas, llamadas izquierda y dextrorrotatoria. Parecería que las propiedades químicas de estas moléculas no difieren: están formadas por los mismos átomos a las mismas distancias entre sí. Sin embargo, todos los seres vivos utilizan exclusivamente aminoácidos levógiros.
¿Hay un significado profundo en esto, o es un accidente que heredamos de la célula "original"? ¿Es posible crear una "proteína dextrorrotatoria"? ¿Un organismo dextrorrotatorio? ¿Serán diferentes de otros seres vivos? Estos misterios están directamente relacionados con el origen de la vida. La lista continúa: ¿se requiere fósforo en el ADN? ¿Es posible la vida sin una célula? ¿Qué productos químicos se necesitan para la autorreplicación? Las posibilidades prácticas detrás de estas preguntas son infinitas.
Incluso si la vida fuera traída a la Tierra desde el espacio, como muchos creen, esto no cambia de ninguna manera las preguntas que enfrenta la biología evolutiva - y sintética - del futuro. Si la vida no apareció en la Tierra, ¿dónde, y lo más importante, cómo? Es probable que este misterio permanezca sin resolver, aunque nadie sabe qué descubrimientos traerá mañana.
Todos los organismos que viven en el planeta hoy en día descienden de un ancestro común. Pero este antepasado ya poseía una célula y todos sus componentes básicos. La ciencia no sabe nada sobre las ramas sin salida de la evolución antes de la aparición de un antepasado común, o sobre si hubo otros "árboles de la vida" paralelos.
Acertijo dos: ¿de dónde venimos?
Cualquiera que sea la forma de vida que apareció por primera vez en la Tierra, después de tres mil quinientos millones de años, la evolución dio a luz a los antepasados directos de la especie Homo sapiens: el Homo sapiens.
El origen de este mono único se comprende mucho mejor que la evolución de la mayoría de las otras especies. Pero por razones obvias, nuestra atención al problema es mucho mayor que cuando se aplica a otros animales. No nos interesa mucho cómo los antepasados de topillos o perdices migraron a través de los continentes. Pero cuando se trata de nuestros parientes más cercanos, sus viajes por el mundo y las interacciones entre ellos se convierten en un verdadero detective histórico.
Más recientemente, los científicos han construido toda la genealogía de la raza humana sobre huesos. Los esqueletos encontrados en diferentes partes del mundo fueron analizados en busca de características tales como la estructura de los dientes y el volumen del cráneo. Con base en estos datos, los esqueletos se agruparon en especies y, basándose en sus similitudes y diferencias, se construyó una imagen de la transformación gradual de monos estúpidos en personas inteligentes con un palo en la mano.
Como quedó claro en los últimos años, una imagen así tiene poco que ver con la realidad. La evolución de los antepasados humanos más cercanos no es una transformación secuencial de unas especies en otras, sino un árbol ramificado con muchas ramas sin salida. Puede ser extremadamente difícil entender cómo están conectadas estas ramas entre sí. Hoy en día, las últimas tecnologías para analizar el ADN obtenido de restos fósiles nos ayudan en esto.
Por ejemplo, estamos presenciando un drama científico lleno de acción sobre la relación de nuestros antepasados directos, los primeros Homo sapiens, con sus primos: los neandertales y los denisovanos.
¿El trabajo creó al hombre?
Hasta el siglo XX, la arqueología era una ciencia bastante inestable, inclinada a ver evidencia de la grandeza humana en cada hueso encontrado. Entre las hipótesis delgadas, pero completamente infundadas, de la arqueología temprana, destaca la idea de que el dominio de las herramientas, un fenómeno presuntamente sin precedentes en la naturaleza, determinaba directamente la apariencia de las personas. Los ecos de esta hipótesis se escuchan en nombre de la especie Homo habilis, una persona experta que anteriormente se consideraba el representante más antiguo del género Homo.
Hoy en día es evidente que el uso de herramientas está lejos de ser exclusivo de los humanos. Con piedras y palos, por ejemplo, los antiguos monos, los paantropos, estaban bien controlados. Los animales modernos, como cuervos, delfines, elefantes y, por supuesto, muchos primates también utilizan herramientas. Los científicos todavía discuten sobre qué hizo exactamente que los antepasados humanos se pusieran de pie y desarrollaran un cerebro enorme, pero la excesiva romantización de la "habilidad" está desactualizada hoy.
Foto: depositphotos.com/poeticpenguin
En 2010, se decodificó el genoma neandertal. A partir del análisis de los datos obtenidos, se concluyó que esta especie, antes considerada independiente, en realidad se cruzó activamente con nuestros antepasados y trajo del 1 al 4% de la información genética al ADN de un europeo moderno.
No mucho antes de eso, en 2008, se descubrió otro "primo" de un hombre moderno, un denisovita. Él tampoco era reacio a coquetear con las señoritas "razonables": a los residentes actuales de algunas regiones del sudeste asiático les queda entre un 3 y un 5% de su ADN.
Durante algún tiempo, se alineó una imagen bastante delgada de este triángulo amoroso. En África, tres ramas del género Homo surgen de un ancestro común. Los neandertales migran a Europa, los denisovanos a Asia. Una tercera rama permanece en África. Poco a poco se convierte en un Homo sapiens y da una vuelta por el mundo, "recogiendo" los genes correspondientes en el oeste y el este de los "primos" que ya viven allí. En el futuro, el Homo sapiens desplaza tanto a esos como a otros primos de la faz de la Tierra (exactamente cómo, otra mancha blanca en la historia), pero conserva las "huellas" tanto de los neandertales como de los denisovanos.
Sin embargo, más recientemente, científicos del Instituto de Antropología Evolutiva de Leipzig han logrado descifrar parte del genoma del antepasado común de las tres ramas de la evolución humana. A pesar de que este antepasado aún no era neandertal o denisovano, sus restos fueron encontrados en España; según la imagen aceptada, resultó que tuvo que abandonar África y poner un pie en el camino de la "neandertalización".
Sin embargo, los resultados del análisis genético fueron impactantes. El ADN del hombre "español" resultó ser mucho más cercano al genoma del denisovano, ¡que no debería haber estado en Europa en absoluto! Resulta que el panorama completo de nuestras relaciones con los denisovanos y los neandertales está lejos de ser un hecho indiscutible.
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El ejemplo descrito es solo una de las muchas preguntas abiertas de la paleoantropología moderna. Solo los fanáticos religiosos de hoy dudan de que el hombre descienda de un mono. Pero, ¿qué pasó exactamente con nuestros antepasados hace un par de millones de años, separando el descenso de los árboles y la historia registrada? En general, sigue siendo un misterio.
Se han identificado 78 sustituciones de nucleótidos que distinguen a los humanos modernos de los neandertales. Se indican las funciones de 5 genes que se caracterizan por múltiples sustituciones. Algunos de ellos son activos en la piel y el cabello, y están claramente involucrados en la creación de una apariencia y percepción visual "humana" (CAN15). Otros, obviamente, están asociados con las características mentales de una persona. Uno de los genes determina la actividad de los espermatozoides; probablemente, evolucionó bajo la influencia de la selección sexual.
Acertijo tres: ¿que es un virus?
En el caso de los humanos, y de hecho con la mayoría de los animales y plantas modernos, se puede al menos establecer una conexión aproximada con los ancestros evolutivos. Los virólogos no pueden presumir de esto. De hecho, la ciencia aún no comprende qué es un virus.
El hecho es que estos parásitos acelulares microscópicos no encajan en absoluto en el sistema del mundo viviente. Todos los seres vivos que conocemos consisten y provienen de células. El virus también existe solo con la ayuda de las células: necesita un anfitrión para reproducirse. Si todas las células desaparecieran repentinamente del planeta, los virus se convertirían en burbujas sin sentido de proteínas y ADN, incapaces de realizar ninguna función biológica.
¿Cómo existió una forma tan extraña de materia? Hay dos versiones principales.
Primera versión: los virus son genes fugitivos. Este escenario no es difícil de imaginar. Hay elementos en nuestro genoma llamados transposones que pueden separarse de una parte del genoma e insertarse en otra. A veces, estos "genes móviles" llevan consigo otros fragmentos de ADN que se encuentran en la vecindad. Se supone que hace miles de millones de años, uno de estos "genes móviles" reunió accidentalmente en un conjunto el conjunto mínimo necesario para la existencia independiente: a la izquierda, por ejemplo, había una "máquina copiadora" necesaria para reproducir el ADN, y a la derecha, una "navaja" con con el que podrías entrar en una nueva celda. A partir de ese momento, el gen se convirtió en virus y comenzó a evolucionar por separado del organismo padre.
Segunda versión: los virus son células simplificadas. Actualmente, varios científicos se inclinan por esta versión principalmente debido al descubrimiento de varios virus gigantes comparables en tamaño a las células. Según esta versión, los virus pueden haber sido organismos celulares, por ejemplo, bacterias. Estas bacterias han aprendido a parasitar otras células más grandes. Gradualmente, se deshicieron de todo lo innecesario, incluido su propio "equipo celular", y así se convirtieron en virus que conservaban sólo unos pocos genes y "herramientas" necesarias para la infección.
Esta hipótesis está respaldada por precedentes históricos. Algo similar sucedió con las mitocondrias, "estaciones de energía" que componen nuestras células. Una vez fueron bacterias, pero luego se aliaron con células más grandes, perdieron su independencia y hoy son parte integral de ellas.
Al igual que con el origen de la vida, la historia de los virus se pierde a lo largo de los siglos. Los virus no tienen huesos ni conchas, no dejan fósiles ni rastros en las rocas sedimentarias. Es posible que los virus aparecieran de forma independiente (posiblemente de diferentes formas) varias veces. Es casi seguro que se sabe que todos los organismos vivos se originaron a partir de una célula. Aún se desconoce si esto se aplica a los virus "semivivos".
Existe una tercera versión del origen de los virus, según la cual surgieron incluso antes de que aparecieran sus huéspedes, las células. Según esta versión, la virosfera de elementos genéticos que se reproducen a sí mismos existía originalmente. Algunos de estos elementos adquirieron una estructura celular y finalmente dieron lugar a los tres dominios de la vida. Los virus, sin embargo, pasaron gradualmente al parasitismo y continuaron evolucionando en paralelo con sus huéspedes celulares.
Acertijo cuatro: ¿por qué necesitamos dormir?
Pasamos un tercio de nuestras vidas en un sueño y, al mismo tiempo, no entendemos por qué. Sabemos algo sobre lo que sucede en un sueño y, en parte, por qué podría aparecer un sueño. Pero la ciencia aún no puede responder a la pregunta de por qué el sueño es tan necesario.
Los ritmos circadianos en general y el sueño en particular están obviamente asociados con la rotación de la Tierra alrededor del Sol. Cualesquiera que sean las características del animal, para casi cualquiera de ellos hay un momento del día en el que es más seguro no hacer nada, sino simplemente sentarse en silencio y no sobresalir. Es bastante lógico que el sueño pudiera haber aparecido como una forma de ahorrar energía en este "modo de espera". El resto de las funciones de suspensión, por ejemplo, el procesamiento y el refuerzo de la memoria, probablemente aparecieron como "complementos" en este modo.
Pero esta teoría no explica en absoluto por qué el sueño es tan necesario. El registro científicamente documentado de privación intencional del sueño (sin el uso de estimulantes) es de 11 días y pertenece al estadounidense Randy Gardner. Incluso un récord no tan impresionante podría terminar en un desastre: en 2012, un aficionado al fútbol chino que vio la Eurocopa 2012 durante toda la noche murió de un maratón de insomnio de duración similar. Las enfermedades que dañan los mecanismos del sueño son extremadamente peligrosas. Un trastorno hereditario incurable llamado insomnio familiar fatal habla por sí solo: después de la aparición de los síntomas, los pacientes no viven un año.
Proyecciones de áreas del cerebro que cambian de actividad después de la falta de sueño. El verde indica una disminución de la actividad, el rojo: un aumento
Foto: cercor.oxfordjournals.org
¿Hay animales que no duermen? Esta pregunta fue hecha por científicos de la Universidad de Wisconsin en Madison. Habiendo considerado los datos disponibles, concluyeron: hasta la fecha no existe un solo caso claro e inequívocamente probado de la existencia de un animal "somnoliento". Esto no excluye esta posibilidad: los autores enfatizan que los datos sobre el sueño para la mayoría de las especies son extremadamente escasos.
Sin embargo, la información disponible es suficiente para una imagen bastante inequívoca: ni las personas, ni las ratas, ni siquiera las moscas con cucarachas pueden vivir sin dormir. Todo indica que el sueño es la misma propiedad universal de los seres vivos que la respiración o la herencia. Pero si el significado de este último es obvio hoy en día, los científicos tendrán que sudar mucho por el papel del sueño.
¿Con qué sueña una mosca?
Las nuevas tecnologías han avanzado significativamente nuestra capacidad para estudiar el sueño en otras especies. Por ejemplo, los equipos modernos le permiten disparar algo similar a un electroencefalograma … desde una mosca dormida. En un estudio del año pasado, investigadores de la Universidad de Queensland en Australia demostraron que las moscas no solo duermen, sino que también tienen diferentes fases de sueño, al igual que nosotros. Estas fases varían en profundidad y se alternan durante la noche, aumentando el tiempo de “sueño profundo” si las moscas se cansan mucho. En términos generales, el sueño de las moscas es tan similar al nuestro que los científicos están discutiendo con fuerza y énfasis el uso de las moscas de la fruta como modelo para estudiar anomalías que se caracterizan por alteraciones del sueño.
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Acertijo cinco: ¿qué es "yo"?
El último misterio que la biología actual está desintegrando también está relacionado con la actividad nerviosa, pero mucho más complejo que el sueño de Drosophila. La conciencia es un proceso tan complejo y difícil de definir que durante mucho tiempo una persona la definió con arrogancia como su propiedad única.
Hoy, la singularidad de la conciencia humana es una cuestión filosófica más que biológica. No hay duda de que una persona ha alcanzado alturas sin precedentes en el desarrollo de su intelecto. Pero, ¿hay algo cualitativamente nuevo en la estructura y el trabajo de nuestro cerebro? Probablemente no. Los perros tienen emociones, los monos pueden contar y los delfines incluso tienen una apariencia de lenguaje con diferencias gramaticales y culturales en diferentes partes del mundo. Al estudiar animales, entendemos intuitivamente que algunos de ellos son al menos remotamente conscientes de su propia existencia. Pero todavía no entendemos completamente qué hay exactamente detrás de esta conciencia. En pocas palabras, no sabemos qué es la conciencia.
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En los últimos años, la neurobiología ha alcanzado cotas sin precedentes. Tenemos una buena idea de cómo funcionan las células nerviosas, cómo se activan o suprimen y cómo interactúan entre sí. Sabemos qué cambios en la composición de estas células durante el aprendizaje y la formación de la memoria. Sabemos qué partes del cerebro son responsables de tal o cual comportamiento.
Pero saber que la corteza prefrontal está conectada de alguna manera con las interacciones sociales, y que las neuronas en ella se bombardean entre sí con moléculas especiales y campos eléctricos, no significa en absoluto comprender cómo se obtiene una de la otra. Hoy, los científicos están haciendo los primeros intentos de simular el funcionamiento de las redes neuronales más simples: los datos existentes pueden describir de manera única la "conciencia" de quizás medusas. La ciencia aún no es capaz de "hackear" la conciencia humana, no importa cuánto lo quieran los amantes de la ciencia ficción.
