De største opdagelser i biologi i 2023 | Quanta Magasinet

Revolutioner i de biologiske videnskaber kan antage mange former. Nogle gange bryder de ud fra brugen af ​​et nyt værktøj eller opfindelsen af ​​en radikal teori, der pludselig åbner så mange nye muligheder for forskning, at det kan føles svimlende. Nogle gange tager de form langsomt, gennem den langsomme ophobning af undersøgelser, som hver repræsenterer års omhyggeligt arbejde, der kollektivt afbryder den herskende visdom og afslører en stærkere, bedre intellektuel ramme. Begge slags revolutioner udløser laviner af nye ideer og indsigter, der forbedrer vores forståelse af, hvordan livet fungerer.

Det sidste år har der ikke været mangel på disse. For eksempel forskere med succes voksede "embryomodeller" - laboratoriedyrkede kunstige embryoner, der modnes som rigtige - som nåede et mere avanceret udviklingsstadium end nogensinde før. Denne præstation kan i sidste ende give værdifuld ny indsigt i, hvordan menneskelige fostre vokser, selvom debat om den etiske status af disse modeller også virker sandsynlig. I mellemtiden, i neurovidenskabens verden, er forskere, der studerer depression, fortsat med gå væk fra teorien som generelt har styret meget af forskningen og den farmaceutiske behandling af den sygdom i årtier.

Men den slags biologiske revolutioner involverer menneskelig opfindsomhed, hvor forskere inden for biovidenskab kommer til nye erkendelser. Revolutioner forekommer også i selve biologien - når evolutionen har gjort det muligt for organismer at gøre noget hidtil uset. Biologer har for nylig opdaget mange flere tilfælde af denne form for gennembrud.

At holde styr på tiden er for eksempel en funktion, der er essentiel for alle levende ting, lige fra mikroorganismer, der byder deres tid til den næste celledeling, til embryoner, der vokser lemmer og organer, til mere komplekse væsner, der sporer dagen og natten. Hold af forskere, der tilslutter sig laboratorier rundt om i verden, har for nylig opdaget, at nogle nøglefunktioner ved tidtagning er knyttet til cellulært stofskifte - hvilket betyder, at organellen kaldet mitokondriet både er en generator og et ur. Andre aspekter af tidtagning måles af udvikling af en molekylær ballet hvor specialiserede proteiner piruettes sammen, før de adskilles igen.

Forskere håber også snart at gøre vigtige opdagelser nu, hvor de kan dyrke nogle af de primitive, for længst forsvundne celler kaldet Asgard archaea. For en milliard år siden tog Asgard archaea (eller celler meget som dem) det uhyrlige skridt at danne permanente partnerskaber med mitokondriernes forfædre og derved fødte de første komplekse celler. Hemmelighederne om, hvordan og hvorfor det biologiske gennembrud skete, lurer måske i disse eksotiske cellekulturer. I mellemtiden undersøger andre forskere "grynskorpe" mikrober der bor i den berygtede tørre Atacama-ørken i Chile for at få spor til, hvordan de første jordboende celler overlevede.

Der blev opdaget nok vidunderlige biologiske innovationer i 2023 til at danne en veritabel parade: plankton, der superladede deres fotosyntetiske evner ved at genbruge en af ​​deres membraner, og underjordiske mikrober, der lærte det lave ilt i totalt mørke. En immunologisk trick der beskytter babyer i livmoderen, og en neurologiske trick der lader hjernen kortlægge sociale relationer som fysiske landskaber. En simpel mutation, der forvandlede myrer til komplekse sociale parasitter næsten natten over, og en strategisk nedrivning af DNA som orme bruger til at beskytte deres genom.

Quanta kronikerede alle dem og mere til i år, og efterhånden som nye gennembrud inden for fundamental biologi dukker op i de kommende år, vil vi også være der for dem.

På samme måde som fysiske videnskabsmænd bygger simple modelsystemer som springbræt til at forstå mere komplekse fænomener, foretrækker nogle biologer at lære, hvordan livet fungerer ved at skabe enklere versioner. I år gjorde de fremskridt på to fronter: i stor skala, med at skabe "embryomodeller" og på små skalaer med at studere den mest minimale celle muligt.

Embryomodeller, eller syntetiske embryoner, er laboratorieprodukter af stamceller, der kan induceres til at vokse trofast gennem de tidlige udviklingsstadier, selvom de selv ophører, før de genskaber den fulde embryonale udviklingsproces. De blev udtænkt som potentielle værktøjer til den etiske eksperimentelle undersøgelse af menneskelig udvikling. I år viste forskningsgrupper i Israel og Storbritannien, at de kunne pleje embryomodeller hele vejen op gennem (og muligvis ud over) det stadie, hvor forskning i levende menneskelige embryoner er lovligt tilladt. Forskere i Kina indledte endda kortvarigt graviditeter hos aber med embryomodeller. Disse succeser betragtes som store gennembrud for en teknik, der kan hjælpe forskere med at besvare vigtige spørgsmål om prænatal udvikling, og de kan i sidste ende betale sig i at forhindre aborter og fødselsdefekter. Samtidig vækkede eksperimenterne etiske argumenter om denne forskningslinje, i betragtning af at efterhånden som embryomodellerne bliver mere udviklingsmæssigt avancerede, kan de også begynde at virke mere iboende fortjent til beskyttelse.

Syntetisk liv er ikke altid etisk omstridt. I år, forskere testet grænserne for "minimale" celler, simple organismer afledt af bakterier, der er blevet strippet ned til deres genomiske knogler. Disse minimale celler har værktøjerne til at reproducere, men alle gener, der ellers ikke er essentielle, er blevet fjernet. I en vigtig validering af, hvor naturligt naturtro de minimale celler er, opdagede forskere, at dette minimale genom var i stand til at udvikle sig og tilpasse sig. Efter 300 dages vækst og naturlig udvælgelse i laboratoriet kunne de minimale celler med succes konkurrere mod de forfædres bakterier, hvorfra de var afledt. Resultaterne demonstrerede robustheden af ​​levereglerne - at selv efter at være blevet berøvet næsten enhver genetisk ressource, kunne de minimale celler bruge redskaberne til naturlig selektion til at komme sig til mere succesfulde livsformer.

Bevidsthed er følelsen af ​​at være - bevidstheden om at have et unikt selv, et billede af virkeligheden og en plads i verden. Det har længe været filosoffers terræn, men for nylig har videnskabsmænd gjort fremskridt (en slags) med at forstå dets neurobiologiske grundlag.

I et interview på Joy of Why podcast udgivet i maj, beskrev neurovidenskabsforsker Anil Seth fra University of Sussex bevidsthed som en slags "kontrolleret hallucination,” i, at vores oplevelse af virkeligheden dukker op inde fra os. Ingen af ​​os kan direkte vide, hvordan verden er; ja, hver organisme (og individ) oplever verden forskelligt. Vores virkelighedssans er formet af den sanseinformation, vi tager til os, og den måde, vores hjerne organiserer den og konstruerer den på i vores bevidsthed. I den forstand er hele vores oplevelse en hallucination - men det er en kontrolleret hallucination, hjernens bedste gæt beskrivelse af det umiddelbare miljø og større verden baseret på dens erindringer og anden kodet information.

Vores sind tager konstant ny ekstern information ind og skaber også deres egne interne billeder og fortællinger. Hvordan kan vi skelne virkelighed fra fantasi? I år opdagede forskere, at hjernen har en "realitetstærsklen”, som den konstant vurderer behandlede signaler i forhold til. De fleste af vores mentale billeder har et ret svagt signal, og så vores virkelighedstærskel sender dem let til den "falske" bunke. Men nogle gange kan vores opfattelser og fantasi blandes, og hvis disse billeder er stærke nok, kan vi blive forvirrede - muligvis forveksle vores hallucinationer for det virkelige liv.

Hvordan opstår bevidsthed i sindet? Handler det mere om at tænke, eller er det et produkt af sanseoplevelser? I år er resultaterne af en højprofileret kontradiktorisk samarbejde der stillede to store teorier om bevidsthed op mod hinanden, blev annonceret. I løbet af fem år har to teams af forskere - det ene repræsenterer global neuronal workspace-teori, som fokuserer på kognition, og det andet repræsenterer integreret informationsteori, som fokuserer på perception - medskabt og derefter ledet eksperimenter med det formål at teste hvilken teoris forudsigelser var mere præcise. Resultaterne kan have været en skuffelse for alle, der håber på endelige svar. På scenen i New York City, på det 26. møde i Association for the Scientific Study of Consciousness, anerkendte forskerne måder, hvorpå eksperimenterne havde udfordret begge teorier og fremhævet forskelle mellem dem, men de afviste at udtale nogen af ​​teorierne til vinderen. Aftenen var dog ikke helt utilfredsstillende: Neuroforskeren Christof Koch fra Allen Institute for Brain Science indrømmede et 25-årigt væddemål med filosoffen David Chalmers fra New York University om, at bevidsthedens neurale korrelater nu ville være blevet identificeret .

Det tages ofte for givet, at depression er forårsaget af en kemisk ubalance i hjernen: specifikt en kronisk mangel på serotonin, en neurotransmitter, der bærer beskeder mellem nerveceller. Men selvom millioner af deprimerede mennesker rundt om i verden får lindring af at tage Prozac og de andre lægemidler kendt som selektive serotonin-genoptagelseshæmmere eller SSRI'er baseret på denne teori, har årtiers neuropsykiatriske forskning ikke kunnet validere antagelserne i denne model. Brummen af ​​videnskabelig dissens er blevet højere: Et internationalt hold af videnskabsmænd screenede mere end 350 artikler og fandt ingen overbevisende beviser at lavere niveauer af serotonin er forbundet med depression.

Erkendelsen af, at serotoninmangel måske ikke er årsagen, tvinger forskerne til grundlæggende at genoverveje, hvad depression er. Det er muligt, at SSRI'er lindrer nogle symptomer på depression ved at ændre andre kemikalier eller processer i hjernen, der er mere direkte årsager til depression. Det er også muligt, at det, vi kalder "depression", omfatter en række lidelser, der manifesterer sig med et lignende sæt af symptomer, herunder træthed, apati, ændringer i appetit, selvmordstanker og søvnproblemer. Hvis det er tilfældet, vil der være behov for betydelig yderligere forskning for at udpakke denne kompleksitet - for at differentiere typerne og årsagerne til depression og for at udvikle bedre behandlinger.

Depression kan være en isolerende oplevelse. Men det adskiller sig fra ensomhed, en følelsesmæssig tilstand, som neuroforskere har bedre defineret i de senere år. Ensomhed er ikke det samme som social isolation, som er et objektivt mål for antallet af forhold en person er i: Nogen kan være i mange forhold og stadig være ensom. Det er heller ikke social angst, som er en frygt for relationer eller for bestemte relationelle oplevelser.

I stedet tyder en voksende mængde neurobiologisk forskning på det ensomhed er en skævhed i sindet mod at fortolke social information på en negativ, selvstraffende måde. Det er, som om et overlevelsessignal, der udviklede sig for at opfordre os til at genoprette forbindelsen til de mennesker, vi stoler på, er kortsluttet, hvilket har skabt en selvforstærkende løkke af følt isolation. Forskere har endnu ikke fundet en medicinsk behandling for ensomhed, men måske blot at forstå, at negative loop kan hjælpe kronisk ensomme til at undslippe cyklussen og finde trøst i deres eksisterende forbindelser eller i nye.

Hvor kommer vi fra, og hvordan kom vi hertil? Disse tidløse spørgsmål kunne besvares på mange måder, og de har sat adskillige biologer i gang med at søge efter eukaryoternes oprindelse - den 2 milliarder år gamle livsslægt, der omfatter alle dyr, planter og svampe og mange encellede væsner mere komplekse end bakterier.

Søgningen efter den første eukaryot har fået forskere til møjsommeligt at lokke sjældne mikrober fra havbundsslam. For nylig, efter seks års arbejde, blev et europæisk laboratorium kun det andet med succes dyrke en af ​​Asgard archaea— en gruppe primitive encellede organismer, der har genomer med øjenbrynsløftende ligheder med dem af eukaryoter, og som menes at være forfædre til dem. Forskere håber, at direkte undersøgelse af cellerne i laboratoriet vil afsløre ny information om, hvordan eukaryoter udviklede sig og bringe os tættere på at forstå vores oprindelse.

Den evolutionære rejse for den første eukaryot er indhyllet i mystik. I år fandt forskerne en måde at udfylde et hul på 800 millioner år i den molekylære fossiloptegnelse mellem udseendet af den tidligste eukaryot og den for den seneste forfader af alle eukaryoter, der lever i dag. Tidligere, når de søgte information om eukaryoter, der levede i det tomme rum fra omkring 800 millioner til 1.6 milliarder år siden, kunne forskerne ikke finde de molekylære fossiler, de forventede. Men da et australsk hold tilpassede deres søgefilter for at lede efter fossiliserede versioner af mere primitive molekyler, fandt de dem i overflod. Resultaterne afslørede, hvad forfatterne kalder "en tabt verden" af eukaryoter, der hjælper med at fortælle historien om vores gamle forfædres tidlige evolutionære historie.

Forskning i det sidste årti har bedre karakteriseret mikrobiomet - samlingen af ​​mikroorganismer, der lever i vores tarme og andre steder i vores krop - og de subtile måder, hvorpå det påvirker vores helbred. I år afslørede videnskabsmænd i de største detaljer endnu, hvor vores mikrobiomer kommer fra, og hvordan de udvikler sig gennem vores liv.

Ikke overraskende kommer de første frø af vores mikrobiom normalt fra mor - overført under fødslen og også gennem amning. Forskning offentliggjort i år viste, at en mors bidrag ikke kun er hele mikrobielle organismer, men også små stykker DNA kaldet mobile genetiske elementer. Op gennem det første leveår hopper disse mobile genetiske elementer fra moderens bakterier til barnets gennem en proces, der kaldes horisontal genoverførsel. Opdagelsen overraskede forskerne, som ikke forventede, at den høje grad af samevolution mellem moderens mikrobiom og babyens ville fortsætte så længe efter fødslen.

Det er ikke slutningen på historien: Mikrobiomet udvikler sig gennem vores liv. Den hidtil største analyse af menneskelig mikrobiomtransmission, også offentliggjort i år, afslørede hvordan mikrobiomer blander sig og samles igen gennem mange årtier. Det gav klare beviser for, at mikrobiom-organismer spredes mellem mennesker, især dem, som vi bruger mest tid sammen med, såsom familiemedlemmer, partnere og værelseskammerater. Og undersøgelsen rejste den spændende mulighed for, at nogle sygdomme, der anses for ikke-overførbare, faktisk kan overføres, på nogle gange subtile måder, gennem tarmfloraen.

Eoner før opfindelsen af ​​solur, ure og atomure, udviklede organismer biologiske værktøjer til at holde tiden. De har brug for interne døgnure, der kan holde deres metaboliske processer synkroniseret med cyklussen af ​​dag og nat, og også ure, der ligner kalendere for at holde deres udviklingsprocesser på sporet. I år gjorde forskere vigtige fremskridt med at forstå begge dele.

En byge af forskning gennem de seneste år, muliggjort af nye stamcelleteknologier, har kom med nye forklaringer for det, der er kendt som udviklingstempo. Alle hvirveldyr starter livet som et simpelt embryo - men den hastighed, hvormed et embryo udvikler sig, og tidspunktet for, hvornår dets væv modnes, varierer dramatisk mellem arter og bestemmer deres endelige form. Hvad styrer udviklingsurets tikkende? I år pegede en række omhyggelige eksperimenter i laboratorier rundt om i verden, med fokus på forskellige arter og systemer, på en fælles forklaring: at fundamentale metaboliske processer, herunder biokemiske reaktioner og genekspressionen, der ligger til grund for dem, alle sætter tempoet. Disse metaboliske processer ser ud til at være organiseret fundamentalt af mitokondrierne, som meget vel kan tjene to roller som den komplekse celles tidtager og strømkilde.

Mens disse forskere var spredt over hele verden, er nyt arbejde på døgnuret blevet udført i laboratoriet hos en enkelt videnskabsmand: biokemikeren Carrie Partch ved University of California, Santa Cruz. Partch er drevet af en unik besættelse ikke kun med urets grundlæggende trin, men også med den indviklede dans at urproteiner fungerer, som de er bygget, og som de interagerer og nedbrydes. Som enhver urmager er hun ikke tilfreds med at vide, hvad tandhjulene og tandhjulene er - hun skal også forstå, hvordan de passer sammen. Ved at være så meget opmærksom på et enkelt system i løbet af sin karriere har hun gjort opdagelser om dansen af ​​urproteiner, der repræsenterer bredere sandheder, for eksempel at ustrukturerede eller endda uordnede proteiner er fundamentale for biologiske processer.

Et tegn på fremskridt inden for neurovidenskab er, at det hele tiden bliver mere præcist. Ved at bruge nye værktøjer, der er mere solidt funderet i sund videnskab, kan videnskabsmænd nu fokusere deres opmærksomhed på at definere særpræg af individuelle hjerneceller. I år har de lokaliseret det sociale kort af flagermus, som viste sig at være overlejret på flagermusens kort over deres fysiske miljø - de samme nøjagtige hjerneceller i hippocampus koder for flere slags miljøinformation. Andre forskere ser ud til at have løst en 30-årig debat om, hvorvidt nogle af hjernens gliaceller - historisk set som værende næppe mere end polstring for de mere prestigefyldte neuroner - kan stimulere elektriske signaler. Et team af neurovidenskabsmænd og kliniske forskere, hjulpet af epilepsipatienter, som fik implanteret elektroder for at forbedre deres medicinske behandling, opdagede, at hjernen har forskellige systemer for at repræsentere små og store tal. Og for allerførste gang visualiserede forskere i tre dimensioner, hvordan en olfaktorisk receptor griber fat i et lugtmolekyle — et vigtigt skridt i forståelsen af, hvordan næsen og hjernen kan opsnappe luftbårne kemikalier og få afgørende sensorisk information om miljøet.