Die einfachen Bausteine ​​von Neuronen erzeugen zusammen eine immense Komplexität. UCI-Forschung / Ardy Rahman, CC BY-NC

Wir Menschen sehen uns im Vergleich zu allen anderen Lebewesen auf unserem Planeten als ganz oben auf der Halde. Das Leben hat sich über drei Milliarden Jahre von einfachen einzelligen Lebewesen zu mehrzelligen Pflanzen und Tieren entwickelt, die in allen Formen und Größen und Fähigkeiten vorkommen. Zusätzlich zur wachsenden ökologischen Komplexität haben wir im Laufe der Geschichte des Lebens auch die Entwicklung von Intelligenz, komplexen Gesellschaften und technologischen Erfindungen erlebt, bis wir heute bei Menschen ankommen, die auf 35,000-Füßen um die Welt fliegen und den Flugfilm diskutieren.

Es ist naheliegend, an die Geschichte des Lebens als Fortschritt zu denken vom Einfachen zum Komplexenund zu erwarten, dass sich dies in steigenden Genzahlen widerspiegelt. Wir glauben, dass wir mit überlegenem Intellekt und globaler Vorherrschaft den Weg weisen; Die Erwartung war, dass wir, da wir die komplexeste Kreatur sind, die ausgefeiltesten Gene haben.

Diese Vermutung erscheint logisch, aber je mehr Forscher über verschiedene Genome herausfinden, desto fehlerhafter erscheint es. Vor ungefähr einem halben Jahrhundert war die geschätzte Anzahl menschlicher Gene in Millionen. Heute sind wir bei 20,000 angelangt. Wir wissen jetzt zum Beispiel, dass Bananen mit ihren 30,000 genes, haben 50 Prozent mehr Gene als wir.

Wenn Forscher neue Wege finden, nicht nur die Gene zu zählen, die ein Organismus hat, sondern auch diejenigen, die überflüssig sind, gibt es eine klare Konvergenz zwischen der Anzahl der Gene in dem, was wir immer als die einfachsten Lebensformen - Viren - betrachtet haben das komplexeste - uns. Es ist Zeit, die Frage zu überdenken, wie sich die Komplexität eines Organismus in seinem Genom widerspiegelt.

Die konvergierende geschätzte Anzahl von Genen in einer Person im Vergleich zu einem Riesenvirus. Die menschliche Linie zeigt eine durchschnittliche Schätzung mit einer gestrichelten Linie, die die geschätzte Anzahl der benötigten Gene darstellt. Die angezeigten Zahlen für Viren sind für MS2 (1976), HIV (1985), riesige Viren von 2004 und durchschnittliche T4-Nummer in den 1990s. Sean Nee, CC BY

Die Gene zählen

Wir können uns alle unsere Gene zusammen als die Rezepte in einem Kochbuch für uns vorstellen. Sie sind in den Buchstaben der Basen der DNA geschrieben - abgekürzt als ACGT. Die Gene geben Anweisungen, wie und wann man die Proteine ​​zusammensetzt, aus denen man besteht und die alle Funktionen des Lebens in deinem Körper ausführen. EIN typisch Gen benötigt etwa 1000-Buchstaben. Zusammen mit der Umwelt und der Erfahrung sind die Gene dafür verantwortlich, was und wer wir sind - also ist es interessant zu wissen, wie viele Gene sich zu einem ganzen Organismus addieren.

Wenn wir über eine Anzahl von Genen sprechen, können wir aus einem wichtigen Grund die tatsächliche Anzahl an Viren, aber nur die Schätzungen für Menschen anzeigen. Ein challenges Gene zählen in Eukaryoten - die uns, Bananen und Hefe wie Candida einschließen - ist, dass unsere Gene nicht wie Enten hintereinander aufgereiht sind.

Unsere genetischen Rezepte sind so angeordnet, als ob die Seiten des Kochbuchs alle herausgerissen und mit drei Milliarden anderen Buchstaben vermischt worden wären 50 Prozent von denen tatsächlich inaktivierte, tote Viren beschreiben. Also ist es in Eukaryoten schwer, die Gene zu zählen, die lebenswichtige Funktionen haben, und sie von den Fremdstoffen zu trennen.

Im Gegensatz dazu zählen Gene in Viren - und Bakterien, die haben können 10,000 Gene - ist relativ einfach. Dies liegt daran, dass der Rohstoff von Genen - Nukleinsäuren - für kleine Lebewesen relativ teuer ist. Daher gibt es eine starke Auswahl, um unnötige Sequenzen zu löschen. In der Tat besteht die eigentliche Herausforderung für Viren darin, sie zu entdecken. Es erschreckt das alles wichtige Virusentdeckungeneinschließlich HIV, wurden nicht durch Sequenzierung hergestellt, sondern durch alte Methoden, wie z. B. visuelle Vergrösserung und Betrachtung ihrer Morphologie. Fortlaufende Fortschritte in der molekularen Technologie haben uns die bemerkenswerten gelehrt Vielfalt der Virosphäre, kann uns aber nur helfen, die Gene von etwas zu zählen, von dem wir bereits wissen, dass es existiert.

Blühend mit noch weniger

Die Anzahl der Gene, die wir für ein gesundes Leben brauchen, ist wahrscheinlich sogar niedriger als die aktuelle Schätzung von 20,000 in unserem gesamten Genom. Ein Autor einer neueren Studie hat vernünftigerweise die Zählung für essentielle Gene für Menschen extrapoliert kann viel niedriger sein.

Diese Forscher sahen Tausende von gesunden Erwachsenen an, Suche nach natürlich vorkommenden "Knockouts" in denen die Funktionen bestimmter Gene nicht vorhanden sind. Alle unsere Gene kommen in zwei Kopien - eine von jedem Elternteil. Normalerweise kann eine aktive Kopie kompensieren, wenn die andere inaktiv ist, und es ist schwierig, Leute mit zu finden beide Kopien inaktiviert, weil inaktivierte Gene von Natur aus selten sind.

Knockout-Gene sind mit Laborratten ziemlich einfach zu untersuchen, wobei moderne Gentechnologietechniken verwendet werden, um beide Kopien bestimmter Gene unserer Wahl zu inaktivieren oder sie sogar vollständig zu entfernen und zu sehen, was passiert. Aber Studien am Menschen erfordern eine Population von Menschen, die in Gemeinschaften leben, die mit 21®-Technologien für das 21. Jahrhundert und bekannten Stammbäumen ausgestattet sind, die für die erforderlichen genetischen und statistischen Analysen geeignet sind. Isländer sind eine nützliche Sache Bevölkerung, und die britisch-pakistanischen Leute dieser Studie sind ein anderer.

Diese Forschung fand über 700-Gene statt, die ohne offensichtliche gesundheitliche Konsequenzen ausgeschieden werden können. Eine überraschende Entdeckung war beispielsweise, dass das PRDM9-Gen, das eine entscheidende Rolle bei der Fertilität von Mäusen spielt, auch bei Menschen ohne Nebenwirkungen ausgeschaltet werden kann.

Extrapolation der Analyse über die Studie der menschlichen Knockouts hinaus führt zu einer Schätzung dass nur 3,000 menschliche Gene benötigt werden, um einen gesunden Menschen zu bilden. Dies ist im selben Feld wie die Anzahl der Gene in "Riesenviren" Pandoravirus, von 30,000-Jahr alten sibirischen Eis in 2014, ist der größte bekannte Virus bis heute und hat 2,500-Gene.

Welche Gene brauchen wir also? Wir wissen nicht einmal, was ein Viertel der menschlichen Gene tatsächlich tun, und das ist fortgeschritten verglichen mit unserem Wissen über andere Arten.

Komplexität entsteht aus dem ganz einfachen

Aber ob die letzte Anzahl von menschlichen Genen 20,000 oder 3,000 oder etwas anderes ist, der Punkt ist, dass, wenn es darum geht, Komplexität zu verstehen, die Größe wirklich keine Rolle spielt. Wir wissen das seit langem in mindestens zwei Kontexten und fangen gerade an, das Dritte zu verstehen.

Alan Turing, der Mathematiker und WWII Codebrecher etablierte die Theorie der multizellulären Entwicklung. Er studierte einfache mathematische Modelle, die heute als "Reaktions-Diffusions" -Prozesse bezeichnet werden, in denen eine kleine Anzahl von Chemikalien - nur zwei im Turing-Modell - diffundieren und miteinander reagieren. Mit einfachen Regeln, die ihre Reaktionen regeln, diese Modelle kann zuverlässig erzeugen sehr komplexe, aber kohärente Strukturen das sind leicht zu sehen. Die biologischen Strukturen von Pflanzen und Tieren erfordern keine komplexe Programmierung.

Ebenso ist es offensichtlich, dass die 100 Billionen Verbindungen im menschlichen Gehirn, die uns wirklich zu dem machen, wer wir sind, kann unmöglich genetisch einzeln programmiert werden. Das jüngste Durchbrüche in der künstlichen Intelligenz basieren auf Neuronale Netze; dies sind Computermodelle des Gehirns, in denen einfache Elemente - entsprechend den Neuronen - durch Interaktion mit der Welt ihre eigenen Verbindungen herstellen. Das Die Ergebnisse waren spektakulär in angewandten Bereichen wie Handschrifterkennung und medizinische Diagnose, und Google hat die Öffentlichkeit eingeladen Spiele mit spielen und beobachte die Träume seiner KIs.

Mikroben gehen über das Einfache hinaus

Es ist also klar, dass eine einzelne Zelle nicht sehr kompliziert sein muss, damit viele von ihnen sehr komplexe Ergebnisse produzieren können. Daher sollte es nicht überraschen, dass menschliche Genzahlen genauso groß sind wie einzellige Mikroben wie Viren und Bakterien.

Was überraschend ist, ist das Gegenteil - dass winzige Mikroben reiche, komplexe Leben haben können. Es gibt ein wachsendes Studiengebiet - synchronisiert "Soziomikrobiologie"- das untersucht das außerordentlich komplexe soziale Leben von Mikroben, die im Vergleich zu unseren eigenen stehen. Meine eigenen Beiträge In diesen Bereichen geht es darum, Viren ihren rechtmäßigen Platz in dieser unsichtbaren Seifenoper einzuräumen.

Uns ist in den letzten zehn Jahren bewusst geworden, dass Mikroben über 90 Prozent ihres Lebens als biofilme, die man sich am besten als biologisches Gewebe vorstellen kann. Tatsächlich haben viele Biofilme Systeme von elektrische Kommunikation zwischen Zellen, wie Hirngewebe, so dass sie ein Modell für die Untersuchung von Störungen des Gehirns wie Migräne und Epilepsie sind.

Biofilme können auch als "Städte von Mikroben, "Und die Integration von Soziomikrobiologie und medizinische Forschung ist schnelle Fortschritte machen in vielen Bereichen, wie die Behandlung von Mukoviszidose. Das Sozialleben von Mikroben in diesen Städten - komplett mit Kooperation, Konflikt, Wahrheit, Lügen und sogar Selbstmord - entwickelt sich im 21-Jahrhundert schnell zum Hauptforschungsgebiet der Evolutionsbiologie.

Genauso wie die Biologie des Menschen deutlich weniger herausragend wird, als wir dachten, wird die Welt der Mikroben viel interessanter. Und die Anzahl der Gene scheint damit nichts zu tun zu haben.

Über den Autor

Sean Nee, Forschungsprofessor für Ökosystemforschung und -management, Pennsylvania State University

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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