Медиатека

10 причин полюбить биологию: исследование увлекательного и многогранного мира


Биология – это не просто наука. Биология – это захватывающее путешествие в хитросплетения природы, полное удивительных открытий. От деталей микромира до величия экосистем, биология даёт возможность взглянуть на невероятное разнообразие и сложность жизни на Земле и даже за её пределами. Она не только раскрывает тайны существования, но и содержит ключ к решению важных проблем, стоящих перед человечеством. Хотя существует бесконечное множество причин влюбиться в биологию, в этой статье мы предлагаем вам 10 из них. Поехали!

1. Исследуйте удивительный мир природы


Врождённое увлечение человека природой прослеживается ещё по наскальной живописи, изображающей доисторических животных. Спустя тысячи лет наблюдений, систематизации и классификации, полученные данные объединились в научные дисциплины – зоологию, ботанику и экологию.

Хотите узнать, умеют ли рыбы считать? 1 Или как выглядит грамматика у птиц? 2 Как общаются между собой растения (подсказка: в их общении принимают участие грибы)? 3 На эти и многие другие вопросы непрестанно ищут ответы учёные-естествоиспытатели. Исследования окружающего мира помогают нам понять сложные механизмы, управляющие жизнью на Земле, постичь масштаб разнообразия форм жизни, населяющих нашу планету, и тем самым найти место, которые мы занимаем в окружающем мире.

2. Раскройте тайны генетики

В наше время практически любой человек расскажет вам, что такое ДНК, однако так было далеко не всегда. С зарождения цивилизации человечество осознавало влияние наследственности и применяло её принципы для улучшения выращиваемых сельскохозяйственных культур и домашних животных. Тем не менее, большая часть механизмов наследственности оставалась загадкой до XIX века, когда Мендель, щепотка удачи и кропотливый пересчёт горошин заложили основу геномных исследований, которые мы проводим сегодня. Ещё столетие спустя Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик совершили революционное открытие двойной спирали ДНК, запустив лавину исследований, изменивших наше понимание генетики навсегда.

С помощью генетических исследований мы можем решать глобальные вопросы – от завершения проекта «Геном Человека» 4 (недавно опубликовали завершенную последовательность Y-хромосомы! 5) и сохранения биоразнообразия 6 до расшифровки ДНК Бетховена и прочтения полного генома картошки. 7 Так, недавно по результатам геномного исследования была предложена новая дата возникновения плацентарных млекопитающих – более 102 миллионов лет назад. 8 Примерно в это же время учёные разгадали тайну, долгое время окутывавшую происхождение новокаледонского гигантского геккона.

Изучение генетики делает доступной скрытую в ДНК информацию, углубляя понимание происхождения, эволюции и многообразия жизни на Земле. Как сказал Джеймс Уотсон: «Мы думали, наша судьба нисходит к нам со звезд. На самом деле наша судьба записана в наших генах».

3. Сотворите генетические чудеса


С помощью генной инженерии мы способны творить чудеса вне школы волшебства. Появление различных методов редактирования генома, среди которых революционный CRISPR-Cas, открыло перед нами безграничные возможности. 10 От генетически модифицированных культур, таких как чуть более вкусный салат 11, до генной терапии, постепенно меняющей наш взгляд на болезни, ранее считавшиеся неизлечимыми 12, – с помощью биологии мы используем весь возможный потенциал современной науки для усовершенствования нашего будущего.

Кстати, оказалось, что осьминоги – естественные генные инженеры. Они могут редактировать свою РНК, что позволяет им адаптироваться к различным условиям окружающей среды за счёт изменения структуры вырабатываемых белков. Исследователи заинтригованы этой удивительной особенностью, поскольку она не только может пролить свет на эволюцию головоногих моллюсков, но и вдохновить на новые подходы в генетических исследованиях и биотехнологиях. 13

4. Загляните в скрытую вселенную микроорганизмов


Микроскопический мир полон жизни, и микробиология позволяет нам погрузиться в него с головой. Микроорганизмы обитают повсеместно, населяя как внешнюю среду, так и наш организм. Все чаще учёные обращают внимание на влияние микробиома на наше здоровье и благополучие. 14 Изучение микробиома может помочь нам лучше понять развитие болезней для борьбы с ними, и сегодня с появлением новых технологий для этого существует множество различных методов. Однако недавно учёные придумали совершенно необычный способ: брать пробы из найденных на обочине сбитых животных. Такое нестандартное решение уже помогло обнаружить потенциальный метод борьбы с кандидозом. 15

Важность микроорганизмов заключается не только в их многогранной роли в экосистемах, но и в их широком применении в научных и промышленных областях. К примеру, сложно представить нашу жизнь без таких продуктов питания, как хлеб, йогурт или квас. Всё это – продукты ферментации микроорганизмов, которые люди научились использовать ещё в древности. В наше время мы можем применять их не только в пищевой промышленности, но и во множестве других областей: микроорганизмы помогают нам получить что угодно – от жизненно необходимого инсулина до биотоплива 16 или даже электричества. 17

И это далеко не всё! Микроорганизмы могут помочь нам бороться с засухой, уменьшая потери сельскохозяйственных растений 18, или сохранить активность нейронов при гипоксии. 19 На удивление, изучение микроскопической жизни на земле может даже пролить свет на жизнь внеземную! Экстремофилы процветают в немыслимых условиях, таких как экстремальные температуры и давление. Именно они могут помочь исследователям в изучении жизни за пределами Земли в условиях, имитирующих космическое пространство. 20

5. И здесь есть место программистам!

Если вы не знакомы с биоинформатикой, то, должно быть, задаётесь вопросом – как именно могут быть связаны биология и программирование? Сегодня во многих исследованиях уже недостаточно наблюдений и экспериментов. С приходом секвенирования мы получили множество больших и сложных наборов данных, которые необходимо проанализировать. Например, проект «Геном человека». 4, 5 В нашем геноме содержится 3 миллиарда нуклеотидов и работать с таким массивом вручную невозможно.

Тут-то и вступает в игру биоинформатика. Используя возможности вычислительных инструментов и анализа данных, она позволяет быстро и достоверно расшифровывать геномы, идентифицировать целевые гены и даже пары оснований, распутывать сложные эволюционные сети.

Вдобавок к этому биоинформатика углубляется в запутанный лабиринт биологических данных. С помощью биоинформатических инструментов мы можем анализировать сложные молекулярные взаимодействия, расшифровывать структуры белков, предсказывать их функции и раскрывать регуляторные сети, управляющие жизненными процессами. Эта область помогает идентифицировать биомаркеры заболеваний и разрабатывать лекарства, а также даёт представление об эволюционных отношениях между видами. Выступая мостом между биологией и программированием, она использует преимущество компьютерных технологий для стимулирования важных научных открытий в биологии.

6. Победите все болезни


Здоровье дороже богатства – с этим нельзя не согласиться. Со всех сторон нас окружают вредоносные вирусы и бактерии, а некоторые болезни даже скрыты внутри нас, поэтому усилия многих разделов биологии направлены на разработку методов терапии, лекарств и новых технологий для поддержания нашего здоровья.

Ещё много веков назад люди обнаружили защитный эффект от примитивных форм вакцинации. Затем, в конце XIX века новаторская работа Луи Пастера в области вакцин заложила основу иммунологии. С тех пор мы далеко продвинулись: искоренили многие болезни, разработали новые вакцины (в том числе и для пчёл 21) и постепенно изучили тонкости работы иммунной системы. Эти знания играют решающую роль в борьбе с болезнями, давая нам надежду на будущее без болезней, которых стоит бояться.

Например, сегодня без метода моноклональных антител невозможно представить современную иммунодиагностику и иммунотерапию. 22 А иммуноонкология стала важным подходом к лечению рака. 23 Многообещающим подходом является также CAR-T терапия – это вид персонализированной медицины, при которой собственные иммунные клетки человека перепрограммируются на борьбу с опухолью.

В постоянно развивающейся области фармацевтики природа остаётся бесценным источником вдохновения. Лягушки и змеи, среди прочих, привлекли внимание исследователей благодаря своим замечательным биологическим особенностями и уникальным молекулам, которые они производят. Например, змеиные яды содержат сложные химические смеси, компоненты которых уже используют для борьбы с диабетом, хронической болью и даже сердечными приступами. 24

7. Дирижируйте оркестром своего тела


Физиология исследует тонкости жизнедеятельности живых организмов, что имеет огромное значение для медицины, биологии и здравоохранения. Мы постоянно расширяем границы наших знаний благодаря таким открытиям, как известные всем ещё со школы рефлексы собак Павлова или набирающее обороты биоэлектричество. 25 Понимание внутренних механизмов организма – от того, как наше сердце перекачивает кровь, до того, как наши клетки генерируют энергию, – имеет решающее значение для диагностики и лечения заболеваний.

Так, в 2021 году Нобелевская премия была присуждена Дэвиду Юлиусу и Ардему Патапутяну за открытие механизмов, лежащих в основе нашего чувства температуры и осязания. 26 Казалось бы, все мы чувствуем тепло, холод, силу нажатия и понимаем, что задействованы рецепторы, нервная система. Почему же это такое важное открытие?

Существует любопытный парадокс: если оглянуться назад, самые новаторские открытия кажутся очевидными. Взять ту же систему кровообращения или нервную систему. Ведь идеи о том, что кровь циркулирует по сосудам, а нервные сигналы передаются через нейроны, кажутся достаточно явными. Однако для своего времени эти открытия были революционными, требующими дальновидного мышления, неустанных исследований и инновационных методов для расшифровки скрытых механизмов человеческого тела. Дэвид Юлиус и Ардем Патапутян открыли ранее неизвестные рецепторы и подробно описали их работу, углубив понимание сенсорных систем нашего тела, а это важно для разработки новых методов обезболивания и анестезии.

8. Ответьте на вопрос «Яйцо или курица?»

Биология не уклоняется от серьёзных вопросов – например, извечной загадки «яйцо или курица» (c точки зрения эволюционной биологии первым было, кстати, яйцо 27). Эволюционная биология, антропология и палеонтология предлагают понимание происхождения и разнообразия жизни на Земле благодаря таким исследованиям, как, например, работа Сванте Паабо, пролившая свет на жизнь древних людей. 28 От маленьких хламидий 29 до загадочных черепах 30, мы постепенно выстраиваем картину мира не только в его нынешнем виде, но и сотни, тысячи, миллиарды лет назад.

Однако эволюционная биология не ограничивается прошлым – она обеспечивает основу для понимания настоящего и видения будущего, влияя на природоохранные усилия 6 до загадочных черепах , сельское хозяйство 18, медицину и даже борьбу с комарами. 31

9. Знайте свои молекулы в лицо


Если вы когда-нибудь задумывались о том, как устроена жизнь на фундаментальном уровне, молекулярная биология, биохимия, структурная биология помогут найти ответ. Исследователи в этой области пролили свет на структуру ДНК, разложили по полочкам цикл Кребса, при виде которого содрогаются студенты-биологи, а также разработали метод ПЦР, ставший основой многих медицинских и научных практик (все мы не понаслышке знаем то самое применение ПЦР в диагностике инфекционных заболеваний). 32

Последние технологические достижения углубляют наше понимание функционирования и строения макромолекул – теперь мы можем получать структуры макромолекул в высоком разрешении, не окрашивая и не фиксируя их. 33 Чем лучше мы понимаем, как устроен молекулярный механизм внутри нас, тем больше способов мы можем найти, чтобы управлять этим механизмом и использовать его в своих целях. Современные инструменты геномики, протеомики и транскриптомики произвели революцию в скорости и качестве обнаружения соединений, которые потенциально могут стать лекарствами. 25

А еще мы можем делать такие забавные вещи, как например, обнаружить, почему Влад Цепеш мог считаться вампиром. Протеомный анализ его документов показал, что он, вероятно, страдал от хронических заболеваний воспалительного характера, из-за чего у него могли идти слёзы с примесью крови. 34 Готовьте чеснок! А лучше масс-спектрометр.

10. Раскрытие тайны развития


«Самый важный момент в вашей жизни – не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция», – так говорил специалист в области биологии развития Льюис Уолперт. Наш жизненный путь начинается с одной клетки, которая в ходе удивительных трансформаций превращается в сложный функционирующий организм. Изучением этого занимается эмбриология.

Сегодня эти знания помогают не только понять, как проходит эмбриогенез, но и использовать их для помощи семьям, страдающим от бесплодия, а также для повышения эффективности сельского хозяйства с помощью ЭКО. 35 С первых испытаний ЭКО мы прошли огромный путь. Теперь появляются новые, улучшенные методы, такие как трёхсторонее ЭКО, помогающее предотвратить митохондриальные заболевания 36, или использование искусственного интеллекта для повышения качества процесса. 37

Вспомогательные репродуктивные технологии имеют большое значение для сохранения видоразнообразия, и у учёных не иссякают необычные способы воплощения своих идей. Для этого они соединяют сперматозоиды дельфинов с бычьими или мышиными яйцеклетками. Зачем? Оказывается, не с целью создать гибрид быка и дельфина, а с целью сохранить малочисленные половые клетки вымирающих животных. Если проводить тесты на клетках, родственных целевым, можно получать нужные результаты, не тратя и без того ограниченный материал. 38

Биология – это многогранная наука, которая призывает нас открывать, исследовать и просто ценить тонкости жизни на Земле, понимать мир вокруг и самих себя. Независимо от того, очарованы ли вы животными, генами, микробами или целыми экосистемами, для вас везде найдётся место в увлекательном мире биологии!


Литература

1. Messina A. et al. Quantity as a Fish Views It: Behavior and Neurobiology. Frontiers in Neuroanatomy, 2022.

2. Suzuki T.N., Wheatcroft D., Griesser M. Experimental evidence for compositional syntax in bird calls. Nature Communications, 2016.

3. Gorzelak M.A., Asay A.K., Pickles B.J., Simard S.W. Inter-plant communication through mycorrhizal networks mediates complex adaptive behaviour in plant communities. AoB Plants, 2015.

4. «Последние штрихи»: на пути к секвенированию полного генома человека

5. Rhie A. et al. The complete sequence of a human Y chromosome. Nature, 2023.

6. От генома к популяции: как геномика может помочь сохранить биоразнообразие

7. День ДНК 2023

8. Foley N.M. et al. A genomic timescale for placental mammal evolution. Science, 2023.

9. van Hoose N. DNA has revealed the origin of this giant ‘mystery’ gecko. ScienceNews, 2023.

10. Автостопом по методам генной инженерии

11. Mullin E. The First Crispr-Edited Salad Is Here. Wired, 2023.

12. Кажется, это волчанка: CAR-T-терапия может перевернуть картину лечения аутоиммунных заболеваний

13. Birk M.A. et al. Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome. Cell, 2023.

14. Микробиом - ключ к здоровью?

15. Motley J.L. et al. Opportunistic Sampling of Roadkill as an Entry Point to Accessing Natural Products Assembled by Bacteria Associated with Non-anthropoidal Mammalian Microbiomes. Journal of Natural Products, 2017.

16. Majidian P. et al. Metabolic engineering of microorganisms for biofuel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018.

17. Hu Q., Ma Y., Ren G., Zhang B., Zhou S. Water evaporation-induced electricity with Geobacter sulfurreducens biofilms. Science Advances, 2022.

18. Rolli E. et al. Improved plant resistance to drought is promoted by the root-associated microbiome as a water stress-dependent trait. Environmental Microbiology, 2015.

19. Özugur S. et al. Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity. iScience, 2021.

20. Schultz J., dos Santos A., Patel N., Rosado A.S. Life on the Edge: Bioprospecting Extremophiles for Astrobiology. Journal of the Indian Institute of Science, 2023.

21. The World's First Approved Bee Vaccine. Dalan Animal Health.

22. Моноклональные антитела: от производства до применения

23. Finn O.J. Immuno-oncology: understanding the function and dysfunction of the immune system in cancer. Annals of Oncology, 2012.

24. Cormier Z. The latest technology allows us to look for potential medicines in the natural world without collecting or harming a single animal – all you need is their DNA. BBC, 2020.

25. Исцеляющая искра: потенциал биоэлектричества в диагностике и терапии

26. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021. Press release. The Nobel Prize, 2021.

27. Fabry M. Now You Know: Which Came First, the Chicken or the Egg . Time, 2016.

28. Приоткрыть завесу прошлого с помощью ДНК: за что была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022?

29. Эволюция Chlamydiae: от свободноживущих форм к эндосимбионтам

30. Lyson R.T., Bever G.S. Origin and Evolution of the Turtle Body Plan. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2020.

31. Armbruster P.A. Molecular pathways to nonbiting mosquitoes. PNAS, 2018.

32. Полимеразная цепная реакция: как одна технология изменила мир?

33. Ученые опубликовали структуру бактериальной рибосомы с рекордным разрешением

34. Pittalà M.G.G. et al. Count Dracula Resurrected: Proteomic Analysis of Vlad III the Impaler's Documents by EVA Technology and Mass Spectrometry. Analytical Chemistry, 2023.

35. Будущее в пробирке: ЭКО человека и животных

36. Ребенок от трёх родителей: всё, что нужно знать о новом методе трёхстороннего ЭКО

37. Искусственный интеллект поможет улучшить качество ЭКО

38. Sánchez-Calabuig M.J. et al. Heterologous murine and bovine IVF using bottlenose dolphin (Tursiops truncatus) spermatozoa. Theriogenology, 2015.