أكبر الاكتشافات في علم الأحياء عام 2023 | مجلة كوانتا

يمكن للثورات في العلوم البيولوجية أن تتخذ أشكالا عديدة. في بعض الأحيان تندلع هذه المشكلات بسبب استخدام أداة جديدة أو اختراع نظرية جذرية تفتح فجأة العديد من السبل الجديدة للبحث، وقد تشعر بالدوار. وفي بعض الأحيان تتشكل ببطء، من خلال التراكم البطيء للدراسات، التي تمثل كل واحدة منها سنوات من العمل المضني، والتي تتخلص بشكل جماعي من الحكمة السائدة وتكشف عن إطار فكري أقوى وأفضل. يطلق كلا النوعين من الثورات العنان لسيل من الأفكار والرؤى الجديدة التي تعمل على تحسين فهمنا لكيفية سير الحياة.

العام الماضي لم يكن لديه نقص في هذه. على سبيل المثال، الباحثون نجحت في زراعة "نماذج جنينية" - أجنة اصطناعية مزروعة في المختبر تنضج مثل الأجنة الحقيقية - والتي وصلت إلى مرحلة تطورية أكثر تقدمًا من أي وقت مضى. يمكن أن يؤدي هذا الإنجاز في النهاية إلى رؤى جديدة قيمة حول كيفية نمو الأجنة البشرية، على الرغم من أن الجدل حول الوضع الأخلاقي لتلك النماذج يبدو محتملًا أيضًا. وفي الوقت نفسه، في عالم علم الأعصاب، واصل الباحثون الذين يدرسون الاكتئاب الابتعاد عن النظرية وقد وجه هذا المرض عمومًا الكثير من الأبحاث والعلاج الدوائي لهذا المرض لعقود من الزمن.

لكن هذا النوع من الثورات البيولوجية ينطوي على براعة بشرية، حيث يتوصل الباحثون في علوم الحياة إلى إنجازات جديدة. تحدث الثورات أيضًا في علم الأحياء نفسه، عندما يمكّن التطور الكائنات الحية من القيام بشيء غير مسبوق. اكتشف علماء الأحياء مؤخرًا العديد من الأمثلة على هذا النوع من الاختراق.

إن تتبع الوقت، على سبيل المثال، هو وظيفة ضرورية لجميع الكائنات الحية، بدءًا من الكائنات الحية الدقيقة التي تنتظر وقتها حتى انقسام الخلايا التالي إلى الأجنة التي تنمو أطرافها وأعضاءها، إلى الكائنات الأكثر تعقيدًا التي تتبع مرور النهار والليل. اكتشفت فرق من الباحثين الذين يعملون في المختبرات حول العالم مؤخرًا أن بعض السمات الرئيسية لضبط الوقت موجودة مرتبطة بعملية التمثيل الغذائي الخلوي - مما يعني أن العضية التي تسمى الميتوكوندريا هي مولد وساعة في نفس الوقت. يتم قياس الجوانب الأخرى من ضبط الوقت بواسطة تقدم الباليه الجزيئي حيث تدور البروتينات المتخصصة معًا قبل أن تنفصل مرة أخرى.

ويأمل الباحثون أيضًا في تحقيق اكتشافات مهمة قريبًا بعد أن يتمكنوا من زراعة بعض الخلايا البدائية المفقودة منذ زمن طويل والتي تسمى العتائق أسكارد. منذ مليار سنة مضت، اتخذت عتائق أسكارد (أو الخلايا المشابهة لها إلى حد كبير) خطوة شنيعة تتمثل في تكوين شراكات دائمة مع أسلاف الميتوكوندريا، وبالتالي ولادة الخلايا المعقدة الأولى. قد تكون أسرار كيفية وسبب حدوث هذا الإنجاز البيولوجي كامنة في مزارع الخلايا الغريبة تلك. وفي الوقت نفسه، يقوم باحثون آخرون بفحص ميكروبات "القشرة الحصباء". التي تعيش في صحراء أتاكاما القاحلة في تشيلي للحصول على أدلة حول كيفية بقاء الخلايا الأولى التي تعيش على الأرض.

تم اكتشاف ما يكفي من الابتكارات البيولوجية الرائعة في عام 2023 لتشكيل عرض حقيقي: العوالق التي عززت قدراتهم على التمثيل الضوئي من خلال إعادة استخدام أحد أغشيتها، والميكروبات الموجودة تحت الأرض التي تعلمت ذلك صنع الأكسجين في الظلام الدامس. و خدعة مناعية الذي يحمي الأطفال في الرحم، و خدعة عصبية التي تتيح للدماغ رسم خريطة للعلاقات الاجتماعية مثل المناظر الطبيعية. طفرة بسيطة حولت النمل إلى الطفيليات الاجتماعية المعقدة بين عشية وضحاها تقريبا، و التدمير الاستراتيجي للحمض النووي التي تستخدمها الديدان لحماية جينوماتها.

كوانتا لقد قمنا بتأريخ كل ذلك وأكثر هذا العام، ومع ظهور اكتشافات جديدة في علم الأحياء الأساسي في السنوات المقبلة، سنكون هناك أيضًا من أجلهم.

بنفس الطريقة التي يبني بها علماء الفيزياء أنظمة نموذجية بسيطة كنقطة انطلاق لفهم الظواهر الأكثر تعقيدًا، يفضل بعض علماء الأحياء معرفة كيفية عمل الحياة من خلال إنشاء نسخ أبسط. لقد أحرزوا هذا العام تقدمًا على جبهتين: على المقاييس الكبيرة، في إنشاء "نماذج جنينية"، وعلى المقاييس الصغيرة، في دراسة أصغر خلية ممكنة.

نماذج الأجنة، أو الأجنة الاصطناعية، هي منتجات مختبرية للخلايا الجذعية التي يمكن حثها على النمو بشكل صحيح خلال المراحل الأولى من التطور، على الرغم من أنها تنتهي ذاتيًا قبل إعادة تمثيل عملية التطور الجنيني الكاملة. لقد تم تصميمها كأدوات محتملة للدراسة التجريبية الأخلاقية للتنمية البشرية. وفي هذا العام، أظهرت مجموعات بحثية في إسرائيل والمملكة المتحدة أنها قادرة على تحقيق ذلك نماذج تربية الأجنة على طول الطريق (وربما بعد ذلك) المرحلة التي يُسمح فيها قانونًا بإجراء الأبحاث على الأجنة البشرية الحية. حتى أن الباحثين في الصين بدأوا لفترة وجيزة حالات الحمل في القرود باستخدام نماذج الأجنة. تعتبر هذه النجاحات إنجازات كبيرة لتقنية يمكن أن تساعد العلماء في الإجابة على أسئلة مهمة حول التطور قبل الولادة، وقد تؤتي ثمارها في نهاية المطاف في منع حالات الإجهاض والعيوب الخلقية. وفي الوقت نفسه، أيقظت التجارب الحجج الأخلاقية حول هذا النوع من البحث، نظرا لأنه عندما تصبح نماذج الأجنة أكثر تقدما من الناحية التنموية، فقد تبدأ أيضا في الظهور وكأنها أكثر استحقاقا للحماية بشكل جوهري.

الحياة الاصطناعية ليست دائمًا مثيرة للجدل من الناحية الأخلاقية. هذا العام للباحثين اختبر حدود الخلايا "الحد الأدنى".، كائنات حية بسيطة مشتقة من البكتيريا التي تم تجريدها من عظامها الجينومية المجردة. تمتلك هذه الخلايا الصغيرة الأدوات اللازمة للتكاثر، ولكن تمت إزالة أي جينات ليست ضرورية. وفي التحقق المهم من مدى واقعية الخلايا الدنيا بشكل طبيعي، اكتشف الباحثون أن هذا الجينوم البسيط كان قادرًا على التطور والتكيف. وبعد 300 يوم من النمو والانتقاء الطبيعي في المختبر، تمكنت الخلايا الصغيرة من التنافس بنجاح ضد البكتيريا السلفية التي اشتقت منها. وأظهرت النتائج قوة قواعد الحياة - حتى بعد حرمانها من كل الموارد الجينية تقريبًا، يمكن للخلايا الصغيرة استخدام أدوات الانتقاء الطبيعي للتعافي إلى أشكال حياة أكثر نجاحًا.

الوعي هو الشعور بالوجود – الوعي بامتلاك ذات فريدة، وصورة للواقع، ومكان في العالم. لقد كانت هذه المنطقة منذ فترة طويلة مجالًا للفلاسفة، لكن العلماء مؤخرًا أحرزوا تقدمًا (نوعًا ما) في فهم أساسها البيولوجي العصبي.

في مقابلة على فرحة لماذا بودكاست صدر في مايو، وصف الباحث في علم الأعصاب أنيل سيث من جامعة ساسكس الوعي بأنه نوع من ""الهلوسة التي تسيطر عليها,"من حيث أن تجربتنا للواقع تنبثق من داخلنا. لا أحد منا يستطيع أن يعرف بشكل مباشر كيف هو العالم؛ في الواقع، كل كائن حي (وفرد) يختبر العالم بشكل مختلف. يتشكل إحساسنا بالواقع من خلال المعلومات الحسية التي نتلقاها والطريقة التي ينظمها بها دماغنا ويبنيها في وعينا. وبهذا المعنى، فإن تجربتنا بأكملها هي هلوسة، ولكنها هلوسة متحكم فيها، وأفضل وصف يقدمه الدماغ للبيئة المباشرة والعالم الأكبر يعتمد على ذكرياته ومعلومات مشفرة أخرى.

تستقبل عقولنا باستمرار معلومات خارجية جديدة وتقوم أيضًا بإنشاء صور وروايات داخلية خاصة بها. كيف يمكننا التمييز بين الواقع والخيال؟ اكتشف الباحثون هذا العام أن الدماغ لديه "عتبة الواقع" والتي يقوم على أساسها بتقييم الإشارات المعالجة باستمرار. تحتوي معظم صورنا الذهنية على إشارة ضعيفة جدًا، وبالتالي فإن عتبة الواقع لدينا تضعها بسهولة في الكومة "المزيفة". لكن في بعض الأحيان يمكن أن تختلط تصوراتنا وخيالنا، وإذا كانت تلك الصور قوية بما فيه الكفاية، فيمكن أن نصاب بالارتباك - ومن المحتمل أن نخطئ بين هلوساتنا والحياة الحقيقية.

كيف ينشأ الوعي في العقل؟ هل يتعلق الأمر بالتفكير أكثر أم أنه نتاج تجارب حسية؟ نتائج هذا العام أ تعاون عدائي رفيع المستوى تم الإعلان عن نظريتين رئيسيتين للوعي ضد بعضهما البعض. على مدار خمس سنوات، شارك فريقان من الباحثين - أحدهما يمثل نظرية مساحة العمل العصبية العالمية، والتي تركز على الإدراك، والآخر يمثل نظرية المعلومات المتكاملة، والتي تركز على الإدراك - في إنشاء ثم قيادة تجارب تهدف إلى اختبار تنبؤات النظرية. كانت أكثر دقة. ربما كانت النتائج بمثابة خيبة أمل لأي شخص يأمل في الحصول على إجابات محددة. على خشبة المسرح في مدينة نيويورك، في الاجتماع السادس والعشرين لجمعية الدراسة العلمية للوعي، أقر الباحثون بالطرق التي تحدت بها التجارب كلتا النظريتين وأبرزت الاختلافات بينهما، لكنهم رفضوا إعلان فوز أي من النظريتين. ومع ذلك، لم تكن الأمسية غير مرضية تمامًا: فقد اعترف عالم الأعصاب كريستوف كوخ من معهد ألين لعلوم الدماغ برهان عمره 26 عامًا مع الفيلسوف ديفيد تشالمرز من جامعة نيويورك على أنه سيتم تحديد الارتباطات العصبية للوعي بحلول الآن. .

من المسلم به في كثير من الأحيان أن الاكتئاب ينجم عن خلل في التوازن الكيميائي في الدماغ: على وجه التحديد، النقص المزمن في السيروتونين، وهو ناقل عصبي يحمل الرسائل بين الخلايا العصبية. ولكن على الرغم من أن الملايين من الأشخاص المصابين بالاكتئاب في جميع أنحاء العالم يحصلون على الراحة من تناول دواء بروزاك والأدوية الأخرى المعروفة باسم مثبطات امتصاص السيروتونين الانتقائية، أو SSRIs، استنادا إلى هذه النظرية، فإن أبحاث الطب النفسي العصبي التي دامت عقودا من الزمن فشلت في التحقق من صحة افتراضات هذا النموذج. لقد تزايد صوت المعارضة العلمية: قام فريق دولي من العلماء بفحص أكثر من 350 ورقة بحثية و لم يجد أي دليل مقنع أن انخفاض مستويات السيروتونين يرتبط بالاكتئاب.

إن إدراك أن نقص السيروتونين قد لا يكون السبب يجبر الباحثين على إعادة التفكير بشكل أساسي في ماهية الاكتئاب. من الممكن أن تخفف مثبطات استرداد السيروتونين الانتقائية من بعض أعراض الاكتئاب عن طريق تغيير مواد كيميائية أو عمليات أخرى في الدماغ والتي تعتبر أسبابًا مباشرة للاكتئاب. ومن الممكن أيضًا أن يشمل ما نسميه "الاكتئاب" مجموعة متنوعة من الاضطرابات التي تظهر مع مجموعة مماثلة من الأعراض، بما في ذلك التعب واللامبالاة والتغيرات في الشهية والأفكار الانتحارية ومشاكل النوم. إذا كان الأمر كذلك، فستكون هناك حاجة إلى أبحاث إضافية كبيرة لتفكيك هذا التعقيد - للتمييز بين أنواع الاكتئاب وأسبابه وتطوير علاجات أفضل.

يمكن أن يكون الاكتئاب تجربة منعزلة. ولكنها تختلف عن الشعور بالوحدة، وهي حالة عاطفية عرّفها علماء الأعصاب بشكل أفضل في السنوات الأخيرة. الوحدة ليست مثل العزلة الاجتماعية، وهي مقياس موضوعي لعدد العلاقات التي يقيمها الشخص: يمكن أن يكون شخص ما في العديد من العلاقات ويظل وحيدًا. كما أنه ليس قلقًا اجتماعيًا، وهو خوف من العلاقات أو من تجارب علائقية معينة.

وبدلاً من ذلك، تشير مجموعة متزايدة من الأبحاث البيولوجية العصبية إلى ذلك الوحدة هي تحيز في العقل نحو تفسير المعلومات الاجتماعية بطريقة سلبية ومعاقبة الذات. يبدو الأمر كما لو أن إشارة البقاء التي تطورت لتحثنا على إعادة التواصل مع الأشخاص الذين نعتمد عليهم قد انقطعت، مما أدى إلى خلق حلقة دائمة من العزلة المحسوسة. لم يتوصل العلماء بعد إلى علاج طبي للوحدة، ولكن ربما مجرد فهم هذه الحلقة السلبية يمكن أن يساعد الأشخاص الذين يشعرون بالوحدة المزمنة على الهروب من هذه الدائرة والعثور على الراحة في علاقاتهم الحالية أو في علاقات جديدة.

من أين أتينا، وكيف وصلنا إلى هنا؟ يمكن الإجابة على هذه الأسئلة الخالدة بعدة طرق، وقد دفعت العديد من علماء الأحياء إلى البحث عن أصول حقيقيات النوى - سلالة الحياة التي يبلغ عمرها ملياري عام والتي تشمل جميع الحيوانات والنباتات والفطريات والعديد من الكائنات وحيدة الخلية. مخلوقات أكثر تعقيدا من البكتيريا.

البحث عن أول حقيقيات النوى دفع الباحثين إلى اجتذاب الميكروبات النادرة من حمأة قاع البحر. في الآونة الأخيرة، وبعد ست سنوات من العمل، أصبح المختبر الأوروبي هو الثاني فقط الذي ينجح زراعة واحدة من عتائق أسكارد- مجموعة من الكائنات الحية البدائية وحيدة الخلية التي لها جينومات تشبه جينومات حقيقيات النوى بشكل مثير للدهشة، ويُعتقد أنها أسلاف لها. ويأمل العلماء أن تكشف دراسة الخلايا بشكل مباشر في المختبر معلومات جديدة حول كيفية تطور حقيقيات النوى وتقربنا من فهم أصولنا.

إن الرحلة التطورية لأول كائن حقيقي النواة يكتنفها الغموض. وفي هذا العام، وجد العلماء طريقة لذلك سد فجوة 800 مليون سنة في السجل الأحفوري الجزيئي بين ظهور أول حقيقيات النوى وظهور أحدث سلف لجميع حقيقيات النوى الموجودة على قيد الحياة اليوم. في السابق، عند البحث عن معلومات حول حقيقيات النوى التي عاشت في الفضاء الفارغ منذ ما يقرب من 800 مليون إلى 1.6 مليار سنة مضت، لم يتمكن العلماء من العثور على الحفريات الجزيئية التي توقعوها. ولكن عندما قام فريق أسترالي بتعديل مرشح البحث الخاص به للبحث عن نسخ متحجرة من جزيئات أكثر بدائية، وجدوها بكثرة. كشفت النتائج عما يسميه المؤلفون "العالم المفقود" من حقيقيات النوى، وهو ما يساعد على سرد قصة التاريخ التطوري المبكر لأسلافنا القدماء.

لقد حددت الأبحاث التي أجريت على مدار العقد الماضي بشكل أفضل الميكروبيوم - مجموعة الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في أمعائنا وأماكن أخرى في الجسم - والطرق الدقيقة التي تؤثر بها على صحتنا. في هذا العام، كشف العلماء بأكبر قدر من التفاصيل حتى الآن عن مصدر الميكروبات لدينا وكيف تتطور طوال حياتنا.

ومن غير المستغرب أن البذور الأولى للميكروبيوم لدينا تأتي عادةً من الأم، وتنتقل أثناء الولادة وأيضًا من خلال الرضاعة الطبيعية. وجدت الأبحاث المنشورة هذا العام أن مساهمات الأم لا تقتصر على الكائنات الميكروبية الكاملة فحسب، بل أيضًا قصاصات صغيرة من الحمض النووي تسمى العناصر الوراثية المتنقلة. خلال السنة الأولى من الحياة، تنتقل هذه العناصر الوراثية المتنقلة من بكتيريا الأم إلى بكتيريا الطفل من خلال عملية تسمى نقل الجينات الأفقي. فاجأ هذا الاكتشاف الباحثين، الذين لم يتوقعوا أن تستمر الدرجة العالية من التطور المشترك بين ميكروبيوم الأم وميكروبيوم الطفل لفترة طويلة بعد الولادة.

وهذه ليست نهاية القصة: فالميكروبيوم يتطور طوال حياتنا. وكشف أكبر تحليل حتى الآن عن انتقال الميكروبيوم البشري، والذي نُشر هذا العام أيضًا، عن كيفية حدوث ذلك تختلط الميكروبات وتتجمع من جديد على مدى عقود عديدة. وقد قدمت دليلا واضحا على أن الكائنات الحية الدقيقة تنتشر بين الناس، وخاصة أولئك الذين نقضي معهم معظم الوقت، مثل أفراد الأسرة والشركاء وزملاء السكن. وأثارت الدراسة احتمالا مثيرا للاهتمام بأن بعض الأمراض التي تعتبر غير معدية قد تكون في الواقع قابلة للانتقال، بطرق خفية في بعض الأحيان، من خلال نباتات الأمعاء.

قبل العصور التي سبقت اختراع الساعات الشمسية والساعات الذرية، طورت الكائنات الحية أدوات بيولوجية للحفاظ على الوقت. إنهم بحاجة إلى ساعات يومية داخلية يمكنها الحفاظ على تزامن عمليات التمثيل الغذائي مع دورة النهار والليل، وكذلك ساعات مشابهة للتقويمات للحفاظ على سير عملياتهم التنموية في المسار الصحيح. وفي هذا العام، حقق الباحثون تقدمًا مهمًا في فهم كليهما.

لقد نجحت موجة من الأبحاث على مدى السنوات العديدة الماضية، والتي أصبحت ممكنة بفضل تقنيات الخلايا الجذعية الجديدة وقدم تفسيرات جديدة لما يعرف بإيقاع النمو. تبدأ جميع الفقاريات حياتها كجنين بسيط، لكن معدل نمو الجنين، وتوقيت نضوج أنسجته، يختلف بشكل كبير بين الأنواع ويحدد شكلها النهائي. ما الذي يتحكم في دقات ساعة النمو؟ وهذا العام، أشارت سلسلة من التجارب الدقيقة التي أجريت في المختبرات في مختلف أنحاء العالم، والتي ركزت على أنواع وأنظمة مختلفة، إلى تفسير مشترك: وهو أن العمليات الأيضية الأساسية، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية الحيوية والتعبير الجيني الذي يكمن وراءها، كلها تحدد وتيرة هذه التفاعلات. يبدو أن هذه العمليات الأيضية يتم تنظيمها بشكل أساسي بواسطة الميتوكوندريا، والتي قد تؤدي دورًا مزدوجًا كضابط وقت الخلية المعقدة ومصدر الطاقة.

وبينما كان هؤلاء الباحثون منتشرين في جميع أنحاء العالم، تم إنجاز عمل جديد حول الساعة البيولوجية في مختبر عالم واحد: عالم الكيمياء الحيوية كاري بارتش في جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز. إن بارتش مدفوع بهوس فريد ليس فقط بالخطوات الأساسية للساعة، ولكن أيضًا بالخطوات الأساسية للساعة الرقصة المعقدة تعمل بروتينات الساعة أثناء بنائها وأثناء تفاعلها وتحللها. مثل أي صانع ساعات، فهي غير راضية عن معرفة ماهية التروس والتروس - فهي تحتاج أيضًا إلى فهم كيفية توافقها معًا. ومن خلال إيلاء مثل هذا الاهتمام الوثيق لنظام واحد على مدار مسيرتها المهنية، فقد توصلت إلى اكتشافات حول رقصة بروتينات الساعة التي تمثل حقائق أوسع، على سبيل المثال أن البروتينات غير المنظمة أو حتى المضطربة تعتبر أساسية للعمليات البيولوجية.

إحدى علامات التقدم في علم الأعصاب هي أنه يصبح أكثر دقة باستمرار. وباستخدام أدوات جديدة أكثر رسوخًا في العلوم السليمة، يستطيع العلماء الآن تركيز اهتمامهم على تحديد المراوغات الخاصة بخلايا الدماغ الفردية. هذا العام هم يقع على الخريطة الاجتماعية من الخفافيش، والتي تبين أنها متراكبة على خريطة الخفافيش لبيئتها المادية - نفس خلايا الدماغ الدقيقة الموجودة في الحصين تشفر أنواعًا متعددة من المعلومات البيئية. ويبدو أن باحثين آخرين قد حلوا جدلاً دام 30 عامًا حول ما إذا كانت بعض الخلايا الدبقية في الدماغ - التي كانت تعتبر تاريخيًا مجرد حشوة للخلايا العصبية الأكثر شهرة - قادرة على ذلك. تحفيز الإشارات الكهربائية. اكتشف فريق من علماء الأعصاب والباحثين السريريين، بمساعدة مرضى الصرع الذين تم زرع أقطاب كهربائية لديهم لتحسين الرعاية الطبية، أن الدماغ لديه أنظمة مختلفة لتمثيل الأعداد الصغيرة والكبيرة. ولأول مرة، تصور الباحثون في ثلاثة أبعاد كيف يمكن للمستقبل الشمي يمسك بجزيء الرائحة - خطوة مهمة في فهم كيف يمكن للأنف والدماغ اعتراض المواد الكيميائية المحمولة جواً والحصول على معلومات حسية مهمة حول البيئة.