De simple byggesten af ​​neuroner genererer tilsammen enorm kompleksitet. UCI Research/Ardy Rahman, CC BY-NC

Vi mennesker kan lide at tænke på os selv som på toppen af ​​dyngen sammenlignet med alle de andre levende ting på vores planet. Livet har udviklet sig over tre milliarder år fra simple encellede skabninger til flercellede planter og dyr, der kommer i alle former og størrelser og evner. Ud over den voksende økologiske kompleksitet har vi i løbet af livets historie også set udviklingen af ​​intelligens, komplekse samfund og teknologiske opfindelser, indtil vi i dag når frem til folk, der flyver rundt i verden i 35,000 fod, og diskuterer filmen ombord.

Det er naturligt at tænke på livets historie som fremadskridende fra det enkle til det komplekse, og at forvente, at dette afspejles i stigende genantal. Vi forestiller os, at vi fører an med vores overlegne intellekt og globale dominans; forventningen var, at da vi er det mest komplekse væsen, ville vi have det mest komplicerede sæt gener.

Denne formodning virker logisk, men jo mere forskerne finder ud af forskellige genomer, jo mere fejlagtig virker det. For omkring et halvt århundrede siden var det anslåede antal menneskelige gener i millioner. I dag er vi nede på omkring 20,000. Vi ved nu, for eksempel, at bananer, med deres 30,000 gener, har 50 procent flere gener end vi gør.

Efterhånden som forskere udtænker nye måder at tælle ikke kun de gener, en organisme har, men også dem, den har, der er overflødige, er der en klar konvergens mellem antallet af gener i det, vi altid har tænkt på som de simpleste livsformer – vira – og det mest komplekse – os. Det er tid til at genoverveje spørgsmålet om, hvordan kompleksiteten af ​​en organisme afspejles i dens genom.

Det konvergerende anslåede antal gener i en person versus en kæmpe virus. Human linje viser gennemsnitlig estimat med stiplet linje, der repræsenterer det anslåede antal gener, der er nødvendige. De viste tal for vira er for MS2 (1976), HIV (1985), kæmpe vira fra 2004 og det gennemsnitlige T4-tal i 1990'erne. Sean Nee, CC BY

Tæller generne op

Vi kan tænke på alle vores gener sammen som opskrifterne i en kogebog til os. De er skrevet med bogstaverne i DNA-baserne – forkortet ACGT. Generne giver instruktioner om, hvordan og hvornår du skal samle de proteiner, du er lavet af, og som udfører alle livets funktioner i din krop. EN typisk genet kræver omkring 1000 bogstaver. Sammen med miljøet og erfaringen er generne ansvarlige for, hvad og hvem vi er – så det er interessant at vide, hvor mange gener der tæller til en hel organisme.

Når vi taler om antallet af gener, kan vi vise det faktiske antal for vira, men kun estimaterne for mennesker af en vigtig årsag. En udfordre tæller gener ind eukaryoter – som omfatter os, bananer og gær som Candida – er, at vores gener ikke er stillet op som ænder i en række.

Vores genetiske opskrifter er arrangeret, som om kogebogens sider alle er blevet flået ud og blandet sammen med tre milliarder andre bogstaver, ca. 50 procent hvoraf faktisk beskriver inaktiverede, døde vira. Så hos eukaryoter er det svært at tælle generne op, der har vitale funktioner, og adskille dem fra det fremmede.

Derimod tæller gener i vira – og bakterier, som kan have 10,000 gener – er relativt let. Det skyldes, at genernes råmateriale – nukleinsyrer – er relativt dyrt for bittesmå væsner, så der er stærk selektion for at slette unødvendige sekvenser. Faktisk er den virkelige udfordring for vira at opdage dem i første omgang. Det er opsigtsvækkende det hele store virus opdagelser, herunder HIV, er slet ikke blevet lavet ved sekventering, men ved gamle metoder som at forstørre dem visuelt og se på deres morfologi. Fortsat fremskridt i molekylær teknologi har lært os det bemærkelsesværdige virosfærens mangfoldighed, men kan kun hjælpe os med at tælle generne for noget, vi allerede ved eksisterer.

Blomstrer med endnu færre

Antallet af gener, vi faktisk har brug for for et sundt liv, er sandsynligvis endnu lavere end det nuværende skøn på 20,000 i hele vores genom. En forfatter til en nylig undersøgelse har med rimelighed ekstrapoleret, at antallet af essentielle gener for mennesker kan være meget lavere.

Disse forskere kiggede på tusindvis af raske voksne, leder efter naturligt forekommende "knockouts", hvor særlige geners funktioner er fraværende. Alle vores gener kommer i to kopier – en fra hver forælder. Normalt kan den ene aktive kopi kompensere, hvis den anden er inaktiv, og det er svært at finde folk med både kopier inaktiveret, fordi inaktiverede gener er naturligt sjældne.

Knockout-gener er ret nemme at studere med laboratorierotter, ved at bruge moderne genteknologi til at inaktivere begge kopier af bestemte gener efter vores valg, eller endda fjerne dem helt og se, hvad der sker. Men menneskelige undersøgelser kræver befolkninger af mennesker, der lever i samfund med medicinsk teknologi fra det 21. århundrede og kendte stamtavler, der er egnede til de genetiske og statistiske analyser, der kræves. Islændinge er en nyttig befolkning, og det britisk-pakistanske folk i denne undersøgelse er en anden.

Denne forskning fandt over 700 gener, som kan slås ud uden indlysende sundhedsmæssige konsekvenser. For eksempel var en overraskende opdagelse, at PRDM9-genet - som spiller en afgørende rolle i musens fertilitet - også kan slås ud hos mennesker uden nogen skadelige virkninger.

Ekstrapolering af analysen ud over den menneskelige knockout-undersøgelse fører til et skøn at der faktisk kun er brug for 3,000 menneskelige gener for at bygge et sundt menneske. Dette er i samme boldgade som antallet af gener i "kæmpe vira". Pandoravirus, genvundet fra 30,000 år gammel sibirisk is i 2014, er den hidtil største kendte virus og har 2,500 gener.

Så hvilke gener har vi brug for? Vi ved ikke engang, hvad en fjerdedel af menneskelige gener rent faktisk gør, og det er avanceret sammenlignet med vores viden om andre arter.

Kompleksiteten opstår fra det meget enkle

Men om det endelige antal menneskelige gener er 20,000 eller 3,000 eller noget andet, pointen er, at når det kommer til at forstå kompleksitet, så er størrelsen virkelig ligegyldig. Vi har vidst det længe i mindst to sammenhænge og er lige begyndt at forstå den tredje.

Alan Turing, matematikeren og WWII kodebryder etablerede teorien om flercellet udvikling. Han studerede simple matematiske modeller, nu kaldet "reaktions-diffusions"-processer, hvor et lille antal kemikalier - kun to i Turings model - diffunderer og reagerer med hinanden. Med enkle regler, der styrer deres reaktioner, er disse modeller pålideligt kan generere meget komplekse, men sammenhængende strukturer der er let at se. Så de biologiske strukturer af planter og dyr kræver ikke kompleks programmering.

Tilsvarende er det indlysende, at 100 billioner forbindelser i den menneskelige hjerne, som er det, der virkelig gør os til dem, vi er, kan umuligt genetisk programmeres individuelt. Det seneste gennembrud inden for kunstig intelligens er baseret på neurale netværk; disse er computermodeller af hjernen, hvor simple elementer – svarende til neuroner – etablerer deres egne forbindelser gennem interaktion med verden. Det resultaterne har været spektakulære inden for anvendte områder som håndskriftsgenkendelse og medicinsk diagnose, og Google har inviteret offentligheden til spille spil med , observere drømmene af sine AI'er.

Mikrober går ud over det grundlæggende

Så det er klart, at en enkelt celle ikke behøver at være meget kompliceret, for at et stort antal af dem kan producere meget komplekse resultater. Derfor bør det ikke komme som en stor overraskelse, at menneskelige gennumre kan være af samme størrelse som dem for encellede mikrober som vira og bakterier.

Det, der kommer som en overraskelse, er det modsatte – at små mikrober kan have rige, komplekse liv. Der er et voksende fagområde - døbt "sociomikrobiologi” – der undersøger mikrobers ekstraordinært komplekse sociale liv, som står op i sammenligning med vores eget. Mine egne bidrag disse områder bekymrer sig om at give vira deres retmæssige plads i denne usynlige sæbeopera.

Vi er blevet opmærksomme i det sidste årti, at mikrober bruger over 90 procent af deres liv som biofilm, som bedst kan opfattes som biologisk væv. Faktisk har mange biofilm systemer af elektrisk kommunikation mellem celler, som hjernevæv, hvilket gør dem til en model til at studere hjernesygdomme som migræne og epilepsi.

Biofilm kan også opfattes som "byer af mikrober,” og integrationen af sociomikrobiologi og medicinsk forskning er gør hurtige fremskridt på mange områder, såsom behandling af cystisk fibrose. Det mikrobers sociale liv i disse byer – komplet med samarbejde, konflikt, sandhed, løgne og endda selvmord – er hurtigt ved at blive det store studieområde i evolutionsbiologi i det 21. århundrede.

Ligesom menneskers biologi bliver markant mindre fremragende, end vi havde troet, bliver mikrobernes verden langt mere interessant. Og antallet af gener ser ikke ud til at have noget med det at gøre.

Om forfatteren

Sean Nee, forskningsprofessor i økosystemvidenskab og -ledelse, Pennsylvania State University

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.

Relaterede Bøger:

at InnerSelf Market og Amazon