Die größten Entdeckungen in der Biologie im Jahr 2023 | Quanta-Magazin

Revolutionen in den Biowissenschaften können viele Formen annehmen. Manchmal entstehen sie durch den Einsatz eines neuartigen Werkzeugs oder die Erfindung einer radikalen Theorie, die plötzlich so viele neue Wege für die Forschung eröffnet, dass es schwindelerregend sein kann. Manchmal nehmen sie langsam Gestalt an, durch die langsame Anhäufung von Studien, von denen jede einzelne Jahre sorgfältiger Arbeit darstellt, die gemeinsam die vorherrschende Weisheit zerstören und ein stärkeres, besseres intellektuelles Gerüst offenbaren. Beide Arten von Revolutionen lösen Lawinen neuer Ideen und Erkenntnisse aus, die unser Verständnis davon verbessern, wie das Leben funktioniert.

Im vergangenen Jahr gab es keinen Mangel daran. Zum Beispiel Forscher erfolgreich gezüchtete „Embryomodelle“ – im Labor gezüchtete künstliche Embryonen, die wie echte heranreifen – die ein fortgeschritteneres Entwicklungsstadium als je zuvor erreicht haben. Diese Leistung könnte letztendlich wertvolle neue Erkenntnisse darüber liefern, wie menschliche Föten wachsen, obwohl auch eine Debatte über den ethischen Status dieser Modelle wahrscheinlich ist. Unterdessen haben in der Welt der Neurowissenschaften Forscher, die sich mit Depressionen befassen, weiterhin damit begonnen sich von der Theorie entfernen Dies hat im Allgemeinen jahrzehntelang einen Großteil der Forschung und pharmazeutischen Behandlung dieser Krankheit geleitet.

Aber solche biologischen Revolutionen erfordern menschlichen Einfallsreichtum, und Forscher in den Biowissenschaften kommen zu neuen Erkenntnissen. Revolutionen finden auch in der Biologie selbst statt – wenn die Evolution es Organismen ermöglicht hat, etwas Beispielloses zu tun. Biologen haben kürzlich viele weitere Beispiele für einen solchen Durchbruch entdeckt.

Die Zeit im Auge zu behalten ist beispielsweise eine Funktion, die für alle Lebewesen von wesentlicher Bedeutung ist, von Mikroorganismen, die auf den richtigen Zeitpunkt bis zur nächsten Zellteilung warten, über Embryonen, aus denen Gliedmaßen und Organe wachsen, bis hin zu komplexeren Lebewesen, die den Ablauf von Tag und Nacht verfolgen. Forscherteams, die in Laboren auf der ganzen Welt arbeiten, haben kürzlich herausgefunden, dass einige Schlüsselfunktionen der Zeitmessung vorhanden sind an den Zellstoffwechsel gebunden – was bedeutet, dass das Mitochondrium genannte Organell sowohl ein Generator als auch eine Uhr ist. Andere Aspekte der Zeitmessung werden durch gemessen Fortschritt eines molekularen Balletts Dabei drehen sich spezialisierte Proteine ​​zusammen, bevor sie sich wieder trennen.

Die Forscher hoffen auch, bald wichtige Entdeckungen machen zu können, da sie einige der sogenannten primitiven, lange verlorenen Zellen kultivieren können Asgard-Archaeen. Vor einer Milliarde Jahren wagten Asgard-Archaeen (oder ähnliche Zellen) den ungeheuerlichen Schritt, dauerhafte Partnerschaften mit den Vorfahren der Mitochondrien einzugehen und so die ersten komplexen Zellen hervorzubringen. Die Geheimnisse, wie und warum es zu diesem biologischen Durchbruch kam, lauern möglicherweise in diesen exotischen Zellkulturen. Inzwischen untersuchen andere Forscher dies „Kieskrusten“-Mikroben die in der berüchtigt trockenen Atacama-Wüste in Chile leben, nach Hinweisen, wie die ersten landlebenden Zellen überlebten.

Im Jahr 2023 wurden genug wunderbare biologische Innovationen entdeckt, um eine wahre Parade zu bilden: Plankton steigerten ihre photosynthetischen Fähigkeiten indem sie eine ihrer Membranen umfunktionierten, und unterirdische Mikroben, die das gelernt haben Sauerstoff in völliger Dunkelheit herstellenEine immunologischer Trick das Babys im Mutterleib schützt, und a neurologischer Trick Dadurch kann das Gehirn soziale Beziehungen wie physische Landschaften abbilden. Eine einfache Mutation, die Ameisen in verwandelte komplexe soziale Parasiten praktisch über Nacht, und a Strategische Zerstörung der DNA mit denen Würmer ihr Genom schützen.

Wie viel Wir haben dieses Jahr all das und noch mehr aufgezeichnet, und wenn in den kommenden Jahren neue Durchbrüche in der Grundlagenbiologie zutage treten, werden wir auch für sie da sein.

So wie Physiker einfache Modellsysteme als Sprungbrett zum Verständnis komplexerer Phänomene erstellen, ziehen es einige Biologen vor, durch die Erstellung einfacherer Versionen zu lernen, wie das Leben funktioniert. In diesem Jahr machten sie an zwei Fronten Fortschritte: im großen Maßstab bei der Erstellung von „Embryomodellen“ und im kleinen Maßstab bei der Untersuchung möglichst kleiner Zellen.

Embryomodelle oder synthetische Embryonen sind Laborprodukte von Stammzellen, die in den frühen Entwicklungsstadien zu einem zuverlässigen Wachstum angeregt werden können, obwohl sie sich selbst zerstören, bevor der gesamte Embryonalentwicklungsprozess nachvollzogen werden kann. Sie wurden als potenzielle Werkzeuge für die ethische experimentelle Untersuchung der menschlichen Entwicklung konzipiert. Dieses Jahr haben Forschungsgruppen in Israel und dem Vereinigten Königreich gezeigt, dass sie es können Embryonenmodelle pflegen bis hin zu (und möglicherweise darüber hinaus) dem Stadium, in dem Forschung an lebenden menschlichen Embryonen gesetzlich erlaubt ist. Forscher in China initiierten sogar kurzzeitig Schwangerschaften bei Affen mit Embryonenmodellen. Diese Erfolge gelten als große Durchbrüche für eine Technik, die Wissenschaftlern dabei helfen könnte, wichtige Fragen zur pränatalen Entwicklung zu beantworten, und sie könnten sich letztendlich bei der Verhinderung von Fehlgeburten und Geburtsfehlern auszahlen. Gleichzeitig haben die Experimente ethische Argumente zu dieser Forschungsrichtung wiederbelebt, da die Embryonenmodelle mit fortschreitender Entwicklung auch an sich schützenswerter erscheinen können.

Synthetisches Leben ist nicht immer ethisch umstritten. Dieses Jahr, Forscher testete die Grenzen „minimaler“ Zellen, einfache Organismen, die von Bakterien abstammen, die bis auf ihre genomischen Knochen reduziert wurden. Diese minimalen Zellen verfügen über die Werkzeuge zur Fortpflanzung, aber alle Gene, die ansonsten nicht essentiell sind, wurden entfernt. In einer wichtigen Validierung, wie natürlich und lebensecht die Minimalzellen sind, entdeckten die Forscher, dass dieses Minimalgenom in der Lage war, sich zu entwickeln und anzupassen. Nach 300 Tagen Wachstum und natürlicher Selektion im Labor konnten die Minimalzellen erfolgreich mit den Vorläuferbakterien konkurrieren, von denen sie abgeleitet waren. Die Ergebnisse zeigten die Robustheit der Lebensregeln – dass die Minimalzellen selbst nach dem Verlust nahezu aller genetischen Ressourcen die Werkzeuge der natürlichen Selektion nutzen könnten, um sich zu erfolgreicheren Lebensformen zu erholen.

Bewusstsein ist das Gefühl des Seins – das Bewusstsein, ein einzigartiges Selbst, ein Bild der Realität und einen Platz in der Welt zu haben. Es war lange Zeit das Terrain der Philosophen, aber in letzter Zeit haben Wissenschaftler (in gewisser Weise) Fortschritte beim Verständnis seiner neurobiologischen Grundlagen gemacht.

In einem Interview auf der Freude am Warum In einem im Mai veröffentlichten Podcast beschrieb der Neurowissenschaftler Anil Seth von der University of Sussex das Bewusstsein als eine Art „kontrollierte Halluzination,„insofern unsere Erfahrung der Realität aus unserem Inneren hervorgeht. Keiner von uns kann direkt wissen, wie die Welt ist; Tatsächlich erlebt jeder Organismus (und jedes Individuum) die Welt anders. Unser Realitätssinn wird durch die sensorischen Informationen, die wir aufnehmen, und die Art und Weise, wie unser Gehirn sie organisiert und in unserem Bewusstsein konstruiert, geprägt. In diesem Sinne ist unsere gesamte Erfahrung eine Halluzination – aber es ist eine kontrollierte Halluzination, die bestmögliche Beschreibung der unmittelbaren Umgebung und der größeren Welt durch das Gehirn auf der Grundlage seiner Erinnerungen und anderer verschlüsselter Informationen.

Unser Geist nimmt ständig neue externe Informationen auf und schafft auch seine eigenen inneren Bilder und Erzählungen. Wie können wir Realität von Fantasie unterscheiden? In diesem Jahr entdeckten Forscher, dass das Gehirn eine „Realitätsschwelle” anhand derer es ständig verarbeitete Signale bewertet. Die meisten unserer mentalen Bilder haben ein ziemlich schwaches Signal und werden daher aufgrund unserer Realitätsschwelle leicht auf den „falschen“ Stapel geworfen. Aber manchmal können sich unsere Wahrnehmungen und unsere Vorstellungskraft vermischen, und wenn diese Bilder stark genug sind, können wir verwirrt sein und unsere Halluzinationen möglicherweise mit dem wirklichen Leben verwechseln.

Wie entsteht Bewusstsein im Geist? Geht es eher ums Denken oder ist es ein Produkt sinnlicher Erfahrungen? In diesem Jahr wurden die Ergebnisse eines hochkarätige gegnerische Zusammenarbeit angekündigt, in denen zwei große Bewusstseinstheorien gegeneinander antreten. Im Laufe von fünf Jahren haben zwei Forscherteams – eines vertritt die globale neuronale Arbeitsraumtheorie, die sich auf Kognition konzentriert, und das andere vertritt die integrierte Informationstheorie, die sich auf Wahrnehmung konzentriert – gemeinsam Experimente entwickelt und dann geleitet, um die Vorhersagen dieser Theorie zu testen waren genauer. Die Ergebnisse waren möglicherweise eine Enttäuschung für jeden, der auf endgültige Antworten hoffte. Auf der Bühne in New York City, beim 26. Treffen der Association for the Scientific Study of Consciousness, erkannten die Forscher an, dass die Experimente beide Theorien in Frage gestellt und Unterschiede zwischen ihnen hervorgehoben hatten, lehnten es jedoch ab, eine der beiden Theorien als Sieger auszurufen. Ganz unbefriedigend verlief der Abend allerdings nicht: Der Neurowissenschaftler Christof Koch vom Allen Institute for Brain Science ging eine 25 Jahre alte Wette mit dem Philosophen David Chalmers von der New York University ein, dass die neuronalen Korrelate des Bewusstseins mittlerweile identifiziert seien .

Es wird oft als selbstverständlich angesehen, dass Depressionen durch ein chemisches Ungleichgewicht im Gehirn verursacht werden: insbesondere durch einen chronischen Mangel an Serotonin, einem Neurotransmitter, der Nachrichten zwischen Nervenzellen überträgt. Doch obwohl Millionen von depressiven Menschen auf der ganzen Welt durch die Einnahme von Prozac und den anderen Medikamenten, die als selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) bekannt sind, auf dieser Theorie Linderung erfahren, ist es der jahrzehntelangen neuropsychiatrischen Forschung nicht gelungen, die Annahmen dieses Modells zu bestätigen. Das Summen der wissenschaftlichen Meinungsverschiedenheiten wird immer lauter: Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat mehr als 350 Arbeiten gesichtet und keine überzeugenden Beweise gefunden dass ein niedriger Serotoninspiegel mit Depressionen verbunden ist.

Die Erkenntnis, dass Serotoninmangel möglicherweise nicht die Ursache ist, zwingt Forscher dazu, die Definition einer Depression grundlegend zu überdenken. Es ist möglich, dass SSRIs einige Symptome einer Depression lindern, indem sie andere Chemikalien oder Prozesse im Gehirn verändern, die direktere Ursachen für Depressionen sind. Es ist auch möglich, dass das, was wir „Depression“ nennen, eine Vielzahl von Störungen umfasst, die sich mit ähnlichen Symptomen äußern, darunter Müdigkeit, Apathie, Appetitveränderungen, Selbstmordgedanken und Schlafprobleme. Wenn dies der Fall ist, ist erhebliche zusätzliche Forschung erforderlich, um diese Komplexität zu entschlüsseln – um die Arten und Ursachen von Depressionen zu unterscheiden und bessere Behandlungen zu entwickeln.

Depressionen können eine isolierende Erfahrung sein. Aber es unterscheidet sich von Einsamkeit, einem emotionalen Zustand, den Neurowissenschaftler in den letzten Jahren besser definiert haben. Einsamkeit ist nicht dasselbe wie soziale Isolation, die ein objektives Maß für die Anzahl der Beziehungen ist, in denen eine Person lebt: Jemand kann in vielen Beziehungen sein und trotzdem einsam sein. Es handelt sich auch nicht um soziale Ängste, bei denen es sich um Angst vor Beziehungen oder bestimmten Beziehungserfahrungen handelt.

Stattdessen legt eine wachsende Zahl neurobiologischer Forschungen dies nahe Einsamkeit ist eine Voreingenommenheit im Kopf dazu neigen, soziale Informationen negativ und selbstbestrafend zu interpretieren. Es ist, als ob ein Überlebenssignal, das sich entwickelt hat, um uns zu drängen, wieder mit den Menschen in Kontakt zu treten, auf die wir angewiesen sind, kurzgeschlossen wurde und eine sich selbst verstärkende Schleife gefühlter Isolation entsteht. Wissenschaftler haben noch keine medizinische Behandlung für Einsamkeit gefunden, aber vielleicht kann einfach das Verständnis, dass die negative Schleife chronisch Einsamen helfen kann, dem Kreislauf zu entkommen und Trost in ihren bestehenden oder neuen Verbindungen zu finden.

Woher kommen wir und wie sind wir hierher gekommen? Diese zeitlosen Fragen könnten auf viele Arten beantwortet werden und haben zahlreiche Biologen auf die Suche nach den Ursprüngen der Eukaryoten veranlasst – der 2 Milliarden Jahre alten Abstammungslinie des Lebens, die alle Tiere, Pflanzen und Pilze sowie viele Einzeller umfasst Lebewesen, die komplexer sind als Bakterien.

Bei der Suche nach dem ersten Eukaryoten müssen Forscher mühsam seltene Mikroben aus dem Meeresbodenschlamm herauslocken. Kürzlich, nach sechsjähriger Arbeit, war ein europäisches Labor erst das zweite, das erfolgreich war kultiviere eine der Asgard-Archaeen– eine Gruppe primitiver einzelliger Organismen, deren Genome verblüffende Ähnlichkeiten mit denen der Eukaryoten aufweisen und von denen man annimmt, dass sie deren Vorfahren sind. Wissenschaftler hoffen, dass die direkte Untersuchung der Zellen im Labor neue Informationen über die Entwicklung der Eukaryoten liefern und uns dem Verständnis unserer Herkunft näher bringen wird.

Die evolutionäre Reise dieses ersten Eukaryoten ist voller Geheimnisse. Dieses Jahr haben Wissenschaftler einen Weg dazu gefunden eine Lücke von 800 Millionen Jahren schließen im molekularen Fossilienbestand zwischen dem Auftreten des frühesten Eukaryoten und dem des jüngsten Vorfahren aller heute lebenden Eukaryoten. Bei der Suche nach Informationen über Eukaryoten, die vor etwa 800 Millionen bis 1.6 Milliarden Jahren im leeren Raum lebten, konnten Wissenschaftler bisher nicht die molekularen Fossilien finden, die sie erwartet hatten. Doch als ein australisches Team seinen Suchfilter optimierte, um nach versteinerten Versionen primitiverer Moleküle zu suchen, fanden sie diese in Hülle und Fülle. Die Ergebnisse enthüllten, was die Autoren „eine verlorene Welt“ der Eukaryoten nennen, was dabei hilft, die Geschichte der frühen Evolutionsgeschichte unserer alten Vorfahren zu erzählen.

Die Forschung des letzten Jahrzehnts hat das Mikrobiom – die Ansammlung von Mikroorganismen, die in unserem Darm und anderswo in unserem Körper leben – und die subtilen Arten, wie es unsere Gesundheit beeinflusst, besser charakterisiert. In diesem Jahr enthüllten Wissenschaftler bis ins kleinste Detail, woher unsere Mikrobiome kommen und wie sie sich im Laufe unseres Lebens entwickeln.

Es überrascht nicht, dass die ersten Samen unseres Mikrobioms normalerweise von der Mutter stammen – sie werden während der Geburt und auch durch das Stillen übertragen. In diesem Jahr veröffentlichte Forschungsergebnisse ergaben, dass es sich bei den Beiträgen einer Mutter nicht nur um ganze mikrobielle Organismen handelt, sondern auch darum, kleine DNA-Schnipsel sogenannte mobile genetische Elemente. Bis zum ersten Lebensjahr springen diese mobilen genetischen Elemente durch einen Prozess namens horizontaler Gentransfer von den Bakterien der Mutter auf die des Babys. Die Entdeckung überraschte Forscher, die nicht damit gerechnet hatten, dass der hohe Grad der Koevolution zwischen dem Mikrobiom der Mutter und dem des Babys so lange nach der Geburt anhalten würde.

Das ist aber noch nicht das Ende der Geschichte: Das Mikrobiom entwickelt sich im Laufe unseres Lebens weiter. Die bislang größte Analyse der Übertragung menschlicher Mikrobiome, die ebenfalls in diesem Jahr veröffentlicht wurde, enthüllte, wie das geht Mikrobiome mischen sich und setzen sich wieder zusammen über viele Jahrzehnte hinweg. Es lieferte klare Beweise dafür, dass sich Mikrobiom-Organismen zwischen Menschen ausbreiten, insbesondere zwischen denen, mit denen wir die meiste Zeit verbringen, wie zum Beispiel Familienmitgliedern, Partnern und Mitbewohnern. Und die Studie ergab die faszinierende Möglichkeit, dass einige Krankheiten, die als nicht übertragbar gelten, tatsächlich auf manchmal subtile Weise durch die Darmflora übertragbar sein könnten.

Äonen vor der Erfindung von Sonnenuhren, Uhren und Atomuhren entwickelten Organismen biologische Werkzeuge, um die Zeit zu messen. Sie benötigen innere zirkadiane Uhren, die ihre Stoffwechselprozesse mit dem Tag-Nacht-Rhythmus synchron halten können, und auch kalenderähnliche Uhren, um ihre Entwicklungsprozesse auf Kurs zu halten. In diesem Jahr haben Forscher wichtige Fortschritte beim Verständnis beider gemacht.

In den letzten Jahren hat eine Flut von Forschungen stattgefunden, die durch neue Stammzelltechnologien ermöglicht wurden bot neue Erklärungen an für das sogenannte Entwicklungstempo. Alle Wirbeltiere beginnen ihr Leben als einfacher Embryo – aber die Geschwindigkeit, mit der sich ein Embryo entwickelt, und der Zeitpunkt, zu dem sein Gewebe reift, variieren dramatisch zwischen den Arten und bestimmen ihre endgültige Form. Was steuert das Ticken der Entwicklungsuhr? In diesem Jahr deutete eine Reihe sorgfältiger Experimente in Laboren auf der ganzen Welt, die sich auf verschiedene Arten und Systeme konzentrierten, auf eine gemeinsame Erklärung hin: dass grundlegende Stoffwechselprozesse, einschließlich biochemischer Reaktionen und der ihnen zugrunde liegenden Genexpression, alle den Takt vorgeben. Diese Stoffwechselprozesse scheinen im Wesentlichen von den Mitochondrien organisiert zu werden, die durchaus eine Doppelrolle als Zeitnehmer und Energiequelle der komplexen Zelle übernehmen könnten.

Während diese Forscher über die ganze Welt verstreut waren, wurden neuartige Arbeiten zur zirkadianen Uhr im Labor einer einzigen Wissenschaftlerin durchgeführt: der Biochemikerin Carrie Partch von der University of California in Santa Cruz. Partch ist nicht nur von den Grundschritten der Uhr besessen, sondern auch von einer einzigartigen Besessenheit der komplizierte Tanz Diese Uhrproteine ​​funktionieren sowohl beim Aufbau als auch bei der Interaktion und beim Abbau. Wie jeder Uhrmacher gibt es sie nicht damit zufrieden, die Zahnräder und Rädchen zu kennen – sie muss auch verstehen, wie sie zusammenpassen. Indem sie im Laufe ihrer Karriere einem einzelnen System so große Aufmerksamkeit schenkte, machte sie Entdeckungen über den Tanz der Uhrenproteine, die umfassendere Wahrheiten darstellen, zum Beispiel, dass unstrukturierte oder sogar ungeordnete Proteine ​​für biologische Prozesse von grundlegender Bedeutung sind.

Ein Zeichen für den Fortschritt in der Neurowissenschaft ist, dass sie immer präziser wird. Mit neuen Werkzeugen, die stärker auf fundierten wissenschaftlichen Erkenntnissen basieren, können Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit nun auf die Definition der Eigenarten einzelner Gehirnzellen richten. Dieses Jahr sie habe die soziale Karte gefunden von Fledermäusen, die sich auf der Karte der Fledermäuse ihrer physischen Umgebung überlagerten – genau dieselben Gehirnzellen im Hippocampus kodieren mehrere Arten von Umweltinformationen. Andere Forscher scheinen eine 30-jährige Debatte darüber beigelegt zu haben, ob einige der Gliazellen des Gehirns, von denen früher angenommen wurde, dass sie kaum mehr als nur Polsterung für die prestigeträchtigeren Neuronen darstellen, dies können stimulieren elektrische Signale. Ein Team aus Neurowissenschaftlern und klinischen Forschern hat mithilfe von Epilepsiepatienten, denen zur Verbesserung ihrer medizinischen Versorgung Elektroden implantiert wurden, herausgefunden, dass dies im Gehirn der Fall ist verschiedene Systeme zur Darstellung kleiner und großer Zahlen. Und zum allerersten Mal visualisierten Forscher in drei Dimensionen, wie ein Geruchsrezeptor funktioniert greift nach einem Geruchsmolekül – ein wichtiger Schritt zum Verständnis, wie Nase und Gehirn in der Luft befindliche Chemikalien abfangen und wichtige sensorische Informationen über die Umgebung gewinnen können.