2023. aasta suurimad avastused bioloogias | Quanta ajakiri

Bioloogiateaduste revolutsioonid võivad esineda mitmel kujul. Mõnikord puhkevad need uudse tööriista kasutamisest või radikaalse teooria leiutamisest, mis avab ootamatult nii palju uusi uurimisvõimalusi, et see võib tunduda peadpööritav. Mõnikord kujunevad need aeglaselt, uuringute aeglase kuhjumise kaudu, millest igaüks esindab aastatepikkust vaevarikast tööd, mis ühiselt purustab valitseva tarkuse ja paljastab tugevama ja parema intellektuaalse raamistiku. Mõlemat tüüpi revolutsioonid vallandavad uute ideede ja arusaamade laviine, mis parandavad meie arusaamist elu toimimisest.

Möödunud aastal pole nendest puudust olnud. Näiteks teadlased kasvatas edukalt "embrüo mudeleid" — laboris kasvatatud tehisembrüod, mis küpsevad nagu pärisembrüod — mis on jõudnud kõrgemasse arengufaasi kui kunagi varem. See saavutus võib lõpuks anda väärtuslikke uusi teadmisi inimese loote kasvu kohta, kuigi tõenäoline tundub ka arutelu nende mudelite eetilise staatuse üle. Samal ajal on neuroteaduste maailmas depressiooni uurivad teadlased jätkanud teooriast eemalduda mis on üldiselt juhtinud suurt osa selle haiguse uurimisest ja ravist aastakümneid.

Kuid sellised bioloogilised revolutsioonid hõlmavad inimeste leidlikkust ja bioteaduste teadlased jõuavad uute arusaamadeni. Revolutsioonid toimuvad ka bioloogias endas – kui evolutsioon on võimaldanud organismidel teha midagi enneolematut. Bioloogid on hiljuti avastanud palju rohkem selliseid läbimurde juhtumeid.

Näiteks aja jälgimine on funktsioon, mis on oluline kõigi elusolendite jaoks, alates mikroorganismidest, mis määravad aega järgmise raku jagunemiseni, kuni jäsemeid ja elundeid kasvatavate embrüote ja keerukamate olenditeni, kes jälgivad päeva ja öö möödumist. Uurijate rühmad, kes töötavad kogu maailmas laborites, on hiljuti avastanud, et ajamõõtmise mõned põhifunktsioonid on sellised seotud raku ainevahetusega — mis tähendab, et mitokondriks kutsutud organell on nii generaator kui ka kell. Ajaarvestuse muid aspekte mõõdab molekulaarse balleti edenemine milles spetsialiseeritud valgud piruette koos enne uuesti eraldumist.

Samuti loodavad teadlased peagi teha olulisi avastusi, sest nad saavad kasvatada mõnda primitiivset, kaua kadunud rakku, mida nimetatakse Asgardi arhee. Miljard aastat tagasi astus Asgardi arhea (või nendega sarnased rakud) ennekuulmatu sammu, moodustades püsivad partnerlussuhted mitokondrite esivanematega, sünnitades sellega esimesed keerulised rakud. Nendes eksootilistes rakukultuurides võivad peituda saladused, kuidas ja miks see bioloogiline läbimurre toimus. Samal ajal uurivad teised teadlased seda "terakooriku" mikroobid kes elavad kurikuulsalt kuivas Tšiili Atacama kõrbes, et saada vihjeid, kuidas esimesed maismaal elavad rakud ellu jäid.

2023. aastal avastati piisavalt imelisi bioloogilisi uuendusi, et moodustada tõeline paraad: plankton, mis alandas nende fotosünteesivõimet muutes ühe nende membraanidest ümber ja maa-alused mikroobid, mis õppisid seda tegema toota hapnikku täielikus pimeduses. immunoloogiline trikk mis kaitseb imikuid emakas ja a neuroloogiline trikk mis võimaldab ajul kaardistada sotsiaalseid suhteid, näiteks füüsilisi maastikke. Lihtne mutatsioon, mis muutis sipelgad nendeks keerulised sotsiaalsed parasiidid praktiliselt üleöö ja a DNA strateegiline lammutamine mida ussid kasutavad oma genoomide kaitsmiseks.

Quanta kirjeldas sel aastal kõiki neid ja palju muud ning kui eelseisvatel aastatel ilmnevad uued läbimurded fundamentaalses bioloogias, oleme ka nende jaoks olemas.

Samamoodi, nagu füüsikateadlased ehitavad lihtsaid mudelsüsteeme, mis on hüppelauaks keerulisemate nähtuste mõistmisel, eelistavad mõned bioloogid õppida elu toimimist lihtsamaid versioone luues. Sel aastal saavutasid nad edusamme kahel rindel: suurtes mastaapides "embrüomudelite" loomisel ja väikestes mastaapides võimalikult minimaalse raku uurimisel.

Embrüomudelid ehk sünteetilised embrüod on tüvirakkude laboratoorsed tooted, mida saab esile kutsuda ustavalt kasvama varases arengustaadiumis, kuigi need katkevad enne kogu embrüonaalse arenguprotsessi taaskäivitamist. Need loodi potentsiaalsete vahenditena inimarengu eetiliseks eksperimentaalseks uurimiseks. Sel aastal näitasid Iisraeli ja Ühendkuningriigi uurimisrühmad, et suudavad kasvatada embrüo mudeleid kuni selle etapini (ja võib-olla ka pärast seda), mil elusate inimembrüote uurimine on seaduslikult lubatud. Hiina teadlased alustasid isegi lühiajaliselt embrüomudelitega ahvide rasedust. Neid edusamme peetakse suureks läbimurdeks tehnikas, mis võiks aidata teadlastel vastata olulistele küsimustele sünnieelse arengu kohta ning need võivad lõpuks ära tasuda raseduse katkemiste ja sünnidefektide ärahoidmisel. Samal ajal äratasid katsed uuesti eetilisi argumente selle uurimissuuna kohta, arvestades, et embrüomudelite arenedes võivad need tunduda ka sisemiselt kaitset väärivad.

Sünteetiline elu ei ole alati eetiliselt vaieldav. Sel aastal teadlased testis "minimaalsete" rakkude piire, lihtsad organismid, mis pärinevad bakteritest, mis on eemaldatud kuni genoomse paljaste luudeni. Nendel minimaalsetel rakkudel on paljunemiseks vajalikud tööriistad, kuid kõik geenid, mis pole muidu olulised, on eemaldatud. Oluliseks kinnituseks selle kohta, kui loomulikult on minimaalsed rakud elutruud, avastasid teadlased, et see minimaalne genoom on võimeline arenema ja kohanema. Pärast 300-päevast kasvu ja looduslikku valikut laboris võisid minimaalsed rakud edukalt konkureerida esivanemate bakteritega, millest nad pärinevad. Leiud näitasid elureeglite tugevust - et isegi pärast peaaegu kõigi geneetiliste ressursside röövimist said minimaalsed rakud kasutada loodusliku valiku vahendeid, et taastuda edukamateks eluvormideks.

Teadvus on olemise tunne — teadlikkus ainulaadsest minast, pildist reaalsusest ja kohast maailmas. See on pikka aega olnud filosoofide maastik, kuid hiljuti on teadlased teinud (omamoodi) edusamme selle neurobioloogilise aluse mõistmisel.

Intervjuus Rõõm miks Mais avaldatud podcastis kirjeldas neuroteaduste uurija Anil Seth Sussexi ülikoolist teadvust kui omamoodi "kontrollitud hallutsinatsioonid,” selles, et meie reaalsuskogemus kerkib esile meie seest. Keegi meist ei saa otseselt teada, milline on maailm; tõepoolest, iga organism (ja indiviid) kogeb maailma erinevalt. Meie reaalsustaju kujundab sensoorne informatsioon, mille me vastu võtame, ja viis, kuidas meie aju seda meie teadvuses korraldab ja konstrueerib. Selles mõttes on kogu meie kogemus hallutsinatsioon, kuid see on kontrollitud hallutsinatsioon, aju parim kirjeldus lähikeskkonnast ja suuremast maailmast, mis põhineb selle mälestustel ja muul kodeeritud teabel.

Meie mõistus võtab pidevalt vastu uut välist teavet ning loob ka oma sisemisi kujundeid ja narratiive. Kuidas eristada tegelikkust fantaasiast? Sel aastal avastasid teadlased, et ajus ontegelikkuse lävi”, mille suhtes ta pidevalt töödeldud signaale hindab. Enamikul meie vaimsetest kujunditest on üsna nõrk signaal ja seetõttu suunab meie reaalsuslävi need kergesti "võltsitud" hunnikusse. Kuid mõnikord võivad meie arusaamad ja kujutlusvõime seguneda ning kui need kujutised on piisavalt tugevad, võime segadusse sattuda – võib-olla segi ajada oma hallutsinatsioonid päriseluga.

Kuidas teadvus meeles tekib? Kas see on rohkem mõtlemises või on see sensoorsete kogemuste tulemus? Sel aastal olid tulemused a kõrgetasemeline võistlev koostöö kuulutati välja kaks peamist teadvuse teooriat. Viie aasta jooksul lõid kaks teadlaste meeskonda, millest üks esindas globaalset neuronaalset tööruumi teooriat, mis keskendub tunnetusele ja teine ​​integreeritud teabeteooriat, mis keskendub tajule, ja juhtisid katseid, mille eesmärk oli testida, millise teooria ennustused. olid täpsemad. Tulemused võisid olla pettumuseks kõigile, kes lootsid lõplikke vastuseid. Teadvuse Teadusliku Uurimise Assotsiatsiooni 26. koosolekul New Yorgis tunnistasid teadlased, kuidas katsed vaidlustasid mõlemad teooriad ja tõid esile nendevahelised erinevused, kuid nad keeldusid kumbagi teooriat võitjaks kuulutamast. Õhtu ei olnud siiski täiesti rahulolematu: neuroteadlane Christof Koch Alleni ajuteaduse instituudist nõustus 25-aastase kihlusega New Yorgi ülikooli filosoofi David Chalmersiga, et teadvuse neuraalsed korrelatsioonid on praeguseks kindlaks tehtud. .

Sageli peetakse enesestmõistetavaks, et depressiooni põhjustab aju keemiline tasakaalustamatus: täpsemalt serotoniini, närvirakkude vahel sõnumeid edastava neurotransmitteri, krooniline puudus. Kuigi miljonid depressiivsed inimesed üle maailma saavad Prozaci ja teiste ravimite, mida tuntakse selektiivsete serotoniini tagasihaarde inhibiitoritena ehk SSRI-dena, võtmisest selle teooria põhjal leevendust, ei ole aastakümnete pikkused neuropsühhiaatrilised uuringud selle mudeli eeldusi kinnitanud. Teaduslike eriarvamuste sumin on muutunud valjemaks: rahvusvaheline teadlaste meeskond vaatas läbi enam kui 350 artiklit ja ei leidnud veenvaid tõendeid et serotoniini madalamat taset seostatakse depressiooniga.

Arusaam, et serotoniinipuudus ei pruugi olla põhjuseks, sunnib teadlasi põhjalikult ümber mõtlema, mis on depressioon. Võimalik, et SSRI-d leevendavad mõningaid depressiooni sümptomeid, muutes ajus muid kemikaale või protsesse, mis on depressiooni otsesemad põhjused. Samuti on võimalik, et see, mida me nimetame "depressiooniks", hõlmab mitmesuguseid häireid, mis ilmnevad sarnaste sümptomitega, sealhulgas väsimus, apaatia, söögiisu muutused, enesetapumõtted ja unehäired. Kui see nii on, on selle keerukuse lahtipakkimiseks vaja teha olulisi lisauuringuid – et eristada depressiooni liike ja põhjuseid ning töötada välja paremad ravimeetodid.

Depressioon võib olla isoleeriv kogemus. Kuid see erineb üksindusest, emotsionaalsest seisundist, mida neuroteadlased on viimastel aastatel paremini määratlenud. Üksindus ei ole sama, mis sotsiaalne isolatsioon, mis on inimese suhete objektiivne mõõt: keegi võib olla paljudes suhetes ja olla siiski üksildane. Samuti pole see sotsiaalne ärevus, mis on hirm suhete või teatud suhtekogemuste ees.

Selle asemel viitab sellele üha kasvav hulk neurobioloogiauuringuid üksindus on mõistuse eelarvamus sotsiaalse teabe negatiivse, ennast karistava tõlgendamise suunas. Tundub, nagu oleks lühisesse läinud ellujäämissignaal, mis kutsus meid üles looma uuesti ühendust inimestega, kellele me toetume, luues isoleerituse, mis jätkub. Teadlased ei ole veel leidnud üksindusele meditsiinilist ravi, kuid võib-olla lihtsalt mõistmine, et negatiivne silmus võib aidata krooniliselt üksildastel tsüklist välja pääseda ja leida lohutust oma olemasolevates või uutes sidemetes.

Kust me tuleme ja kuidas me siia sattusime? Nendele ajatutele küsimustele saab vastata mitmel viisil ja need on pannud paljud bioloogid otsima eukarüootide päritolu – 2 miljardit aastat vana eluliini, mis hõlmab kõiki loomi, taimi ja seeni ning paljusid üherakulisi. bakteritest keerulisemad olendid.

Esimese eukarüoodi otsimisel on teadlased püüdlikult meelitanud merepõhja mudast haruldasi mikroobe. Hiljuti, pärast kuueaastast tööd, sai Euroopa laborist alles teine ​​edukas kasvatada üht Asgardi arheed— rühm primitiivseid üherakulisi organisme, mille genoomid on kulmu kergitavad eukarüootidega ja mis arvatakse olevat nende esivanemad. Teadlased loodavad, et rakkude otsene uurimine laboris paljastab uut teavet eukarüootide arenemise kohta ja aitab meil paremini mõista oma päritolu.

Selle esimese eukarüoodi evolutsiooniline teekond on varjatud saladustega. Sel aastal leidsid teadlased võimaluse täita 800 miljoni aasta pikkune tühimik molekulaarfossiilide registris varaseima eukarüootide ilmumise ja kõigi tänapäeval elavate eukarüootide uusima esivanema ilmumise vahel. Varem, otsides teavet eukarüootide kohta, kes elasid tühjas ruumis umbes 800 miljonit kuni 1.6 miljardit aastat tagasi, ei suutnud teadlased leida molekulaarseid fossiile, mida nad ootasid. Kuid kui Austraalia meeskond kohandas oma otsingufiltrit, et otsida primitiivsemate molekulide kivistunud versioone, leidsid nad neid ohtralt. Leiud paljastasid selle, mida autorid nimetavad eukarüootide "kadunud maailmaks", mis aitab rääkida meie iidsete esivanemate varasest evolutsiooniloost.

Viimase kümnendi jooksul tehtud uuringud on paremini iseloomustanud mikrobioomi – meie soolestikus ja mujal meie kehas elavate mikroorganismide kogumit – ja peeneid viise, kuidas see meie tervist mõjutab. Sel aastal paljastasid teadlased kõige üksikasjalikumalt, kust meie mikrobioomid pärinevad ja kuidas need meie elu jooksul arenevad.

Pole üllatav, et meie mikrobioomi esimesed seemned pärinevad tavaliselt emalt – kanduvad edasi sünni ajal ja ka rinnaga toitmise ajal. Sel aastal avaldatud uuringud näitasid, et ema panus ei ole mitte ainult terved mikroobsed organismid, vaid ka väikesed DNA jupid nimetatakse mobiilseteks geneetilisteks elementideks. Kuni esimese eluaasta jooksul hüppavad need mobiilsed geneetilised elemendid ema bakteritelt lapsele läbi protsessi, mida nimetatakse horisontaalseks geeniülekandeks. Avastus üllatas teadlasi, kes ei oodanud, et ema ja lapse mikrobiomi suur koevolutsioon jätkub nii kaua pärast sündi.

See ei ole loo lõpp: mikrobioom areneb kogu meie elu jooksul. Sel aastal avaldatud suurim analüüs inimese mikrobioomi edasikandumise kohta näitas, kuidas mikrobioomid segavad ja kogunevad uuesti paljude aastakümnete jooksul. See andis selgeid tõendeid selle kohta, et mikrobioomorganismid levivad inimeste vahel, eriti nende vahel, kellega koos veedame kõige rohkem aega, nagu pereliikmed, partnerid ja toakaaslased. Uuring tõstatas intrigeeriva võimaluse, et mõned mittenakkuslikeks peetavad haigused võivad mõnikord peenelt ka soolestiku mikrofloora kaudu edasi kanduda.

Aastaid enne päikesekellade, kellade ja aatomkellade leiutamist arendasid organismid aja hoidmiseks välja bioloogilised vahendid. Nad vajavad sisemisi ööpäevaseid kellasid, mis suudavad hoida nende ainevahetusprotsesse sünkroonis päeva ja öö tsükliga, ja ka kalendritega sarnaseid kellasid, et hoida nende arenguprotsesse õigel teel. Sel aastal tegid teadlased mõlema mõistmisel olulisi edusamme.

Viimastel aastatel on tehtud suur hulk teadusuuringuid, mille on võimaldanud uued tüvirakutehnoloogiad pakkus uusi selgitusi nn arengutempo jaoks. Kõik selgroogsed alustavad elu lihtsa embrüona, kuid embrüo arengukiirus ja selle kudede küpsemise aeg on liikide lõikes dramaatiliselt erinev ja määrab nende lõpliku vormi. Mis juhib arengukella tiksumist? Sel aastal kogu maailmas laborites läbiviidud hoolikad katsed, mis keskendusid erinevatele liikidele ja süsteemidele, osutasid ühisele selgitusele: et põhilised metaboolsed protsessid, sealhulgas biokeemilised reaktsioonid ja nende aluseks olev geeniekspressioon, määravad kõik tempo. Näib, et neid metaboolseid protsesse korraldavad põhiliselt mitokondrid, mis võivad väga hästi täita kahekordset rolli keeruka raku ajahoidja ja jõuallikana.

Kuigi need teadlased olid üle maailma laiali, on ööpäevase kella uudset tööd tehtud ühe teadlase laboris: California ülikooli Santa Cruzi biokeemik Carrie Partch. Partchi juhib ainulaadne kinnisidee mitte ainult kella põhisammude, vaid ka kella põhisammude suhtes keerulist tantsu et kellavalgud toimivad nii, nagu nad on üles ehitatud ning interakteeruvad ja lagunevad. Nagu iga kellassepp, ei ole ta rahul hammasrataste ja hammasrataste teadmisega – ta peab ka mõistma, kuidas need omavahel kokku sobivad. Pöörates oma karjääri jooksul nii suurt tähelepanu ühele süsteemile, on ta teinud avastusi kellavalkude tantsu kohta, mis esindavad laiemaid tõdesid, näiteks seda, et struktureerimata või isegi korrastamata valgud on bioloogiliste protsesside jaoks olulised.

Üks märk neuroteaduse arengust on see, et see muutub pidevalt täpsemaks. Kasutades uusi tööriistu, mis on kindlamalt põhjendatud usaldusväärsel teadusel, saavad teadlased nüüd keskenduda üksikute ajurakkude veidruste määratlemisele. Sel aastal nad asub sotsiaalkaardil nahkhiirtest, mis osutusid nahkhiirte füüsilise keskkonna kaardile peale – täpselt samad ajurakud hipokampuses kodeerivad mitut tüüpi keskkonnateavet. Näib, et teised teadlased on lahendanud 30 aastat kestnud arutelu selle üle, kas mõned aju gliiarakud – mida ajalooliselt peetakse vaevalt enamaks kui prestiižsemate neuronite polsterdus – suudavad stimuleerida elektrilisi signaale. Neuroteadlaste ja kliiniliste teadlaste meeskond, keda aitasid epilepsiahaiged, kellele implanteeriti elektroodid, et parandada oma arstiabi, avastas, et ajus on erinevad süsteemid väikeste ja suurte arvude esitamiseks. Ja esimest korda visualiseerisid teadlased kolmemõõtmeliselt, kuidas haistmisretseptor toimib haardub lõhnamolekuli külge — oluline samm mõistmisel, kuidas nina ja aju suudavad õhus lenduvaid kemikaale kinni püüda ja saada olulist sensoorset teavet keskkonna kohta.