بزرگترین اکتشافات زیست شناسی در سال 2023 | مجله کوانتا

انقلاب در علوم زیستی می تواند اشکال مختلفی داشته باشد. گاهی اوقات آنها از استفاده از یک ابزار جدید یا اختراع یک نظریه رادیکال فوران می کنند که به طور ناگهانی راه های جدیدی را برای تحقیق باز می کند و می تواند احساس سرگیجه کند. گاهی اوقات آنها به آرامی شکل می گیرند، از طریق انباشت آهسته مطالعات، که هر یک نشان دهنده سال ها کار پر زحمت است، که به طور جمعی خرد غالب را از بین می برد و چارچوب فکری قوی تر و بهتری را نشان می دهد. هر دو نوع انقلاب انبوهی از ایده‌ها و بینش‌های جدید را رها می‌کنند که درک ما را از نحوه عملکرد زندگی بهبود می‌بخشد.

سالی که گذشت هیچ کمبودی از اینها نداشت. مثلا محققین رشد موفقیت آمیز "مدل های جنینی" - جنین‌های مصنوعی رشد یافته در آزمایشگاه که مانند جنین‌های واقعی بالغ می‌شوند - که به مرحله رشد پیشرفته‌تری از همیشه رسیده‌اند. این دستاورد در نهایت می‌تواند بینش‌های ارزشمند جدیدی در مورد چگونگی رشد جنین‌های انسان به همراه داشته باشد، اگرچه بحث در مورد وضعیت اخلاقی این مدل‌ها نیز محتمل به نظر می‌رسد. در همین حال، در دنیای علوم اعصاب، محققان به مطالعه افسردگی ادامه دادند از نظریه دور شوید که به طور کلی بسیاری از تحقیقات و درمان دارویی آن بیماری را برای چندین دهه هدایت کرده است.

اما این نوع انقلاب‌های بیولوژیکی شامل نبوغ انسانی است و محققان علوم زیستی به درک جدیدی می‌رسند. انقلاب ها در خود زیست شناسی نیز رخ می دهند - زمانی که تکامل موجودات زنده را قادر به انجام کاری بی سابقه کرده است. زیست شناسان اخیراً نمونه های بیشتری از این نوع پیشرفت را کشف کرده اند.

به عنوان مثال، ردیابی زمان، عملکردی است که برای همه موجودات زنده ضروری است، از میکروارگانیسم‌هایی که زمان خود را تا تقسیم سلولی بعدی می‌سپارند تا جنین‌ها در حال رشد اندام‌ها و اندام‌ها، تا موجودات پیچیده‌تر که گذر روز و شب را دنبال می‌کنند. اخیراً گروهی از محققانی که در آزمایشگاه‌های سراسر جهان مشغول به کار هستند، دریافته‌اند که برخی از ویژگی‌های کلیدی زمان‌سنجی عبارتند از مرتبط با متابولیسم سلولی - یعنی اندامک به نام میتوکندری هم مولد و هم ساعت است. سایر جنبه های زمان سنجی توسط پیشرفت یک باله مولکولی که در آن پروتئین های تخصصی قبل از جدا شدن دوباره با هم پیروت می کنند.

محققان همچنین امیدوارند به زودی به اکتشافات مهمی دست یابند که می توانند برخی از سلول های بدوی و از دست رفته به نام را کشت دهند. باستانی آسگارد. یک میلیارد سال پیش، باستان‌های آسگارد (یا سلول‌های بسیار شبیه به آن‌ها) گامی ظالمانه برای ایجاد مشارکت دائمی با اجداد میتوکندری برداشتند و بدین ترتیب اولین سلول‌های پیچیده را به دنیا آوردند. راز چگونگی و چرایی این پیشرفت بیولوژیکی ممکن است در کمین آن کشت های سلولی عجیب و غریب باشد. در همین حال، محققان دیگر در حال بررسی دقیق این موضوع هستند میکروب های "پوسته شن". که در صحرای خشک بدنام آتاکامای شیلی زندگی می کنند تا سرنخ هایی از چگونگی زنده ماندن اولین سلول های ساکن در خشکی پیدا کنند.

در سال 2023 به اندازه کافی نوآوری های بیولوژیکی شگفت انگیز برای تشکیل یک رژه واقعی کشف شد: پلانکتون هایی که توانایی های فتوسنتزی خود را افزایش دادند با تغییر کاربری یکی از غشاهایشان و میکروب های زیرزمینی که یاد گرفتند تولید اکسیژن در تاریکی مطلق، در ترفند ایمونولوژیک که از نوزادان در رحم محافظت می کند و الف ترفند عصبی که به مغز اجازه می دهد تا روابط اجتماعی مانند مناظر فیزیکی را ترسیم کند. یک جهش ساده که مورچه ها را تبدیل به انگل های پیچیده اجتماعی تقریباً یک شبه، و الف تخریب استراتژیک DNA که کرم ها برای محافظت از ژنوم خود استفاده می کنند.

کوانتوم همه آن‌ها و موارد دیگر را امسال شرح دادیم، و از آنجایی که پیشرفت‌های جدیدی در زیست‌شناسی بنیادی در سال‌های آینده آشکار می‌شود، ما نیز در کنار آنها خواهیم بود.

همانطور که دانشمندان فیزیکی سیستم های مدل ساده را به عنوان پله هایی برای درک پدیده های پیچیده تر می سازند، برخی از زیست شناسان ترجیح می دهند با ایجاد نسخه های ساده تر یاد بگیرند که زندگی چگونه کار می کند. امسال آنها در دو جنبه پیشرفت کردند: در مقیاس های بزرگ، در ایجاد "مدل های جنینی"، و در مقیاس های کوچک، در مطالعه حداقل ترین سلول ممکن.

مدل‌های جنینی یا جنین‌های مصنوعی، محصولات آزمایشگاهی سلول‌های بنیادی هستند که می‌توان آنها را وادار به رشد وفادارانه در مراحل اولیه رشد کرد، اگرچه قبل از انجام فرآیند رشد کامل جنینی، خود به خود خاتمه می‌یابند. آنها به عنوان ابزارهای بالقوه برای مطالعه تجربی اخلاقی رشد انسانی ابداع شدند. امسال گروه های تحقیقاتی در اسرائیل و بریتانیا نشان دادند که می توانند مدل های جنینی را پرورش دهید در تمام مراحل (و احتمالاً فراتر از) مرحله ای که در آن تحقیقات روی جنین های زنده انسان از نظر قانونی مجاز است. محققان در چین حتی برای مدت کوتاهی شروع به بارداری در میمون هایی با مدل جنینی کردند. این موفقیت‌ها پیشرفت‌های بزرگی برای تکنیکی در نظر گرفته می‌شوند که می‌تواند به دانشمندان در پاسخ به سؤالات مهم در مورد رشد دوران بارداری کمک کند و در نهایت ممکن است در جلوگیری از سقط جنین و نقایص مادرزادی نتیجه دهد. در عین حال، آزمایش‌ها بحث‌های اخلاقی را در مورد این خط از تحقیقات دوباره بیدار کردند، با توجه به اینکه با پیشرفت بیشتر مدل‌های جنینی، می‌توانند ذاتاً مستحق حفاظت به نظر برسند.

زندگی مصنوعی همیشه از نظر اخلاقی بحث برانگیز نیست. امسال محققان محدودیت سلول های "حداقل" را آزمایش کرد، موجودات ساده مشتق شده از باکتری هایی که تا استخوان های لخت ژنومی آن ها جدا شده اند. این حداقل سلول‌ها ابزاری برای تولید مثل دارند، اما هر ژنی که در غیر این صورت ضروری نیست حذف شده است. در تأیید مهمی که نشان می‌دهد سلول‌های حداقل چقدر به طور طبیعی شبیه هستند، محققان دریافتند که این حداقل ژنوم قادر به تکامل و سازگاری است. پس از 300 روز رشد و انتخاب طبیعی در آزمایشگاه، حداقل سلول‌ها می‌توانند با موفقیت با باکتری‌های اجدادی که از آن مشتق شده‌اند رقابت کنند. این یافته‌ها استحکام قوانین زندگی را نشان می‌دهد – که حتی پس از ربوده شدن تقریباً هر منبع ژنتیکی، سلول‌های حداقلی می‌توانند از ابزارهای انتخاب طبیعی برای بازیابی شکل‌های زندگی موفق‌تر استفاده کنند.

هشیاری احساس بودن است - آگاهی از داشتن یک خود منحصر به فرد، تصویری از واقعیت و مکانی در جهان. مدت‌هاست که قلمرو فیلسوفان بوده است، اما اخیراً دانشمندان در درک مبانی عصبی زیست‌شناختی آن (به نوعی) پیشرفت کرده‌اند.

در مصاحبه ای در شادی چرا پادکست منتشر شده در ماه مه، آنیل ست، محقق علوم اعصاب از دانشگاه ساسکس، هوشیاری را به عنوان نوعی "توهم کنترل شده,به این صورت که تجربه ما از واقعیت از درون ما بیرون می آید. هیچ یک از ما نمی توانیم مستقیما بدانیم که جهان چگونه است. در واقع، هر ارگانیسم (و فردی) جهان را متفاوت تجربه می کند. حس ما از واقعیت توسط اطلاعات حسی که دریافت می کنیم و روشی که مغز ما آنها را سازماندهی می کند و در آگاهی ما می سازد، شکل می گیرد. از این نظر، تمام تجربه ما یک توهم است - اما این یک توهم کنترل شده است، بهترین حدس مغز از محیط نزدیک و جهان بزرگتر بر اساس خاطرات و سایر اطلاعات رمزگذاری شده آن.

ذهن ما دائماً اطلاعات خارجی جدید را دریافت می کند و همچنین تصاویر و روایت های درونی خود را ایجاد می کند. چگونه می توانیم واقعیت را از خیال تشخیص دهیم؟ امسال، محققان دریافتند که مغز دارای یک "آستانه واقعیت” که به طور مداوم سیگنال های پردازش شده را ارزیابی می کند. بیشتر تصاویر ذهنی ما سیگنال بسیار ضعیفی دارند، و بنابراین آستانه واقعیت ما به راحتی آنها را به انبوه "جعلی" منتقل می کند. اما گاهی اوقات تصورات و تخیل ما ممکن است با هم ترکیب شوند، و اگر آن تصاویر به اندازه کافی قوی باشند، می‌توانیم گیج شویم - احتمالاً توهمات خود را با زندگی واقعی اشتباه بگیریم.

چگونه آگاهی در ذهن پدیدار می شود؟ آیا بیشتر در مورد تفکر است یا محصول تجربیات حسی است؟ امسال نتایج یک همکاری خصمانه با مشخصات بالا که دو تئوری اصلی آگاهی را در برابر یکدیگر قرار دادند، اعلام شد. در طول پنج سال، دو تیم از محققان - یکی نماینده نظریه فضای کار نورون جهانی، که بر شناخت تمرکز دارد، و دیگری نماینده نظریه اطلاعات یکپارچه، که بر ادراک تمرکز دارد - آزمایش‌هایی را با هدف آزمایش پیش‌بینی‌های این نظریه انجام دادند و سپس رهبری کردند. دقیق تر بودند نتایج ممکن است برای هر کسی که امیدوار به پاسخ های قطعی است ناامید کننده باشد. روی صحنه در شهر نیویورک، در بیست و ششمین نشست انجمن مطالعه علمی آگاهی، محققان راه‌هایی را تأیید کردند که آزمایش‌ها هر دو نظریه را به چالش کشیده و تفاوت‌های بین آنها را برجسته کردند، اما آنها از اعلام برنده هر یک از این نظریه‌ها خودداری کردند. با این حال، شب کاملاً رضایت‌بخش نبود: کریستف کخ، عصب‌شناس از مؤسسه آلن برای علوم مغز، شرط ۲۵ ساله‌ای را با دیوید چالمرز فیلسوف از دانشگاه نیویورک پذیرفت که همبستگی‌های عصبی هوشیاری تا کنون شناسایی شده‌اند. .

اغلب بدیهی تلقی می شود که افسردگی ناشی از عدم تعادل شیمیایی در مغز است: به طور خاص، کمبود مزمن سروتونین، یک انتقال دهنده عصبی که پیام ها را بین سلول های عصبی حمل می کند. با این حال، اگرچه میلیون‌ها فرد افسرده در سراسر جهان از مصرف پروزاک و داروهای دیگری که به عنوان مهارکننده‌های انتخابی بازجذب سروتونین یا SSRI شناخته می‌شوند، بر اساس این نظریه تسکین می‌یابند، دهه‌ها تحقیقات عصبی روانپزشکی نتوانسته است مفروضات آن مدل را تأیید کند. صدای مخالفت های علمی بلندتر شده است: یک تیم بین المللی از دانشمندان بیش از 350 مقاله را غربال کردند و هیچ مدرک قانع کننده ای پیدا نکرد سطح پایین سروتونین با افسردگی مرتبط است.

درک این موضوع که کمبود سروتونین ممکن است علت نباشد، محققان را وادار می‌کند تا اساساً درباره چیستی افسردگی تجدید نظر کنند. این امکان وجود دارد که SSRI ها برخی از علائم افسردگی را با تغییر سایر مواد شیمیایی یا فرآیندهای مغز که علل مستقیم افسردگی هستند، کاهش دهند. همچنین ممکن است آنچه ما «افسردگی» می نامیم شامل انواع اختلالاتی باشد که با مجموعه ای از علائم مشابه، از جمله خستگی، بی تفاوتی، تغییرات در اشتها، افکار خودکشی و مشکلات خواب ظاهر می شوند. اگر اینطور باشد، برای باز کردن این پیچیدگی - برای افتراق انواع و علل افسردگی و ایجاد درمان‌های بهتر، به تحقیقات بیشتری نیاز است.

افسردگی می تواند یک تجربه منزوی باشد. اما از تنهایی، یک وضعیت عاطفی که عصب‌شناسان در سال‌های اخیر بهتر آن را تعریف کرده‌اند، متمایز است. تنهایی با انزوای اجتماعی یکسان نیست، که معیاری عینی از تعداد روابطی است که یک فرد در آن قرار دارد: شخصی می تواند در بسیاری از روابط باشد و همچنان تنها باشد. این اضطراب اجتماعی نیز نیست، که ترس از روابط یا تجارب خاص رابطه است.

در عوض، تعداد فزاینده‌ای از تحقیقات عصبی زیست‌شناسی نشان می‌دهد که تنهایی یک تعصب در ذهن است در جهت تفسیر اطلاعات اجتماعی به شیوه ای منفی و خودتنبیه کننده. گویی یک سیگنال بقا که تکامل یافته تا ما را ترغیب کند تا با افرادی که به آنها تکیه می کنیم دوباره ارتباط برقرار کنیم، اتصال کوتاه پیدا کرده و حلقه ای از انزوای احساس شده را ایجاد کرده است. دانشمندان هنوز درمان پزشکی برای تنهایی پیدا نکرده‌اند، اما شاید به سادگی درک این حلقه منفی می‌تواند به افراد تنهای مزمن کمک کند تا از چرخه فرار کنند و در ارتباطات موجود یا در ارتباطات جدید آرامش پیدا کنند.

ما از کجا آمده ایم و چگونه به اینجا رسیدیم؟ به این پرسش‌های بی‌زمان می‌توان به روش‌های مختلفی پاسخ داد و زیست‌شناسان بسیاری را به جستجوی منشأ یوکاریوت‌ها - دودمان ۲ میلیارد ساله حیات که شامل همه حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها و بسیاری از تک‌سلولی‌ها می‌شود، انداخته است. موجودات پیچیده تر از باکتری ها

جست‌وجوی اولین یوکاریوت باعث شد تا محققان با زحمت میکروب‌های کمیاب را از لجن کف دریا جذب کنند. اخیراً، پس از شش سال کار، یک آزمایشگاه اروپایی تنها دومین آزمایشگاه موفق شد یکی از باستان‌های آسگارد را پرورش دهید- گروهی از موجودات تک سلولی بدوی که ژنوم هایی با شباهت های ابرو به یوکاریوت ها دارند و تصور می شود که اجداد آنها هستند. دانشمندان امیدوارند که مطالعه مستقیم سلول‌ها در آزمایشگاه اطلاعات جدیدی را در مورد چگونگی تکامل یوکاریوت‌ها نشان دهد و ما را به درک منشأ خود نزدیک‌تر کند.

سفر تکاملی اولین یوکاریوت پر از رمز و راز است. امسال دانشمندان راهی برای این کار پیدا کردند یک شکاف 800 میلیون ساله را پر کنید در پرونده فسیلی مولکولی بین ظهور اولین یوکاریوت و ظاهر جدیدترین اجداد همه یوکاریوت هایی که امروزه زنده هستند. پیش از این، دانشمندان هنگام جستجوی اطلاعات در مورد یوکاریوت هایی که از حدود 800 میلیون تا 1.6 میلیارد سال پیش در فضای خالی زندگی می کردند، نمی توانستند فسیل های مولکولی مورد انتظار خود را پیدا کنند. اما زمانی که یک تیم استرالیایی فیلتر جستجوی خود را برای جستجوی نسخه‌های فسیل‌شده مولکول‌های ابتدایی تر تغییر دادند، آنها را به وفور یافتند. این یافته‌ها چیزی را آشکار کرد که نویسندگان آن را «دنیای گمشده» یوکاریوت‌ها می‌نامند که به بیان داستان تاریخ تکامل اولیه اجداد باستانی ما کمک می‌کند.

تحقیقات دهه گذشته میکروبیوم - مجموعه ای از میکروارگانیسم هایی که در روده ما و سایر نقاط بدن ما زندگی می کنند - و روش های ظریفی که در آنها بر سلامت ما تأثیر می گذارد را بهتر مشخص کرده است. امسال، دانشمندان با بیشترین جزئیات نشان دادند که میکروبیوم‌های ما از کجا می‌آیند و چگونه در طول زندگی ما تکامل می‌یابند.

جای تعجب نیست که اولین دانه‌های میکروبیوم ما معمولاً از مادر می‌آیند - که در هنگام تولد و همچنین از طریق شیردهی منتقل می‌شوند. تحقیقاتی که در سال جاری منتشر شد نشان داد که کمک های مادر نه تنها موجودات میکروبی کامل است، بلکه کمک می کند تکه های کوچک DNA عناصر ژنتیکی متحرک نامیده می شود. تا سال اول زندگی، این عناصر ژنتیکی متحرک از طریق فرآیندی به نام انتقال افقی ژن از باکتری های مادر به جنین منتقل می شوند. این کشف محققان را شگفت زده کرد، زیرا انتظار نداشتند که درجه بالایی از تکامل مشترک بین میکروبیوم مادر و نوزاد برای مدت طولانی پس از تولد ادامه یابد.

این پایان داستان نیست: میکروبیوم در طول زندگی ما تکامل می یابد. بزرگترین تجزیه و تحلیل تاکنون در مورد انتقال میکروبیوم انسانی که در سال جاری منتشر شد، نحوه انتقال میکروبیوم انسانی را نشان داد میکروبیوم ها به هم ریخته و دوباره جمع می شوند در طول چندین دهه این شواهد روشنی ارائه کرد که موجودات میکروبیومی بین افراد، به ویژه آنهایی که بیشترین زمان را با آنها می گذرانیم، مانند اعضای خانواده، شرکا و هم اتاقی ها پخش می شوند. و این مطالعه این احتمال جالب را مطرح کرد که برخی از بیماری‌هایی که غیرواگیر در نظر گرفته می‌شوند، ممکن است واقعاً از طریق فلور روده به روش‌های گاهاً ظریف قابل انتقال باشند.

سال‌ها قبل از اختراع ساعت‌های آفتابی، ساعت‌ها و ساعت‌های اتمی، موجودات زنده ابزارهای بیولوژیکی را برای نگه‌داشتن زمان تکامل دادند. آن‌ها به ساعت‌های شبانه‌روزی داخلی نیاز دارند که بتواند فرآیندهای متابولیک آن‌ها را با چرخه روز و شب هماهنگ نگه دارد، و همچنین به ساعت‌هایی شبیه به تقویم‌ها برای حفظ روند رشد آنها در مسیر صحیح نیاز دارند. امسال، محققان در درک هر دو پیشرفت های مهمی داشتند.

انبوهی از تحقیقات در چند سال گذشته، که توسط فناوری‌های جدید سلول‌های بنیادی امکان‌پذیر شده است توضیحات جدیدی ارائه کرد برای چیزی که به عنوان سرعت رشد شناخته می شود. همه مهره داران زندگی خود را به عنوان یک جنین ساده شروع می کنند - اما سرعت رشد جنین و زمان بلوغ بافت های آن به طور چشمگیری بین گونه ها متفاوت است و شکل نهایی آنها را تعیین می کند. چه چیزی تیک تاک ساعت رشد را کنترل می کند؟ امسال، مجموعه‌ای از آزمایش‌های دقیق در آزمایشگاه‌های سراسر جهان، با تمرکز بر گونه‌ها و سیستم‌های مختلف، به یک توضیح مشترک اشاره کردند: اینکه فرآیندهای متابولیک اساسی، از جمله واکنش‌های بیوشیمیایی و بیان ژنی که زیربنای آنهاست، همگی سرعت را تعیین می‌کنند. به نظر می رسد که این فرآیندهای متابولیک اساساً توسط میتوکندری سازماندهی می شوند، که ممکن است به خوبی نقش های دوگانه را به عنوان زمان نگهدار و منبع انرژی سلول پیچیده ایفا کند.

در حالی که این محققان در سراسر جهان پراکنده بودند، کار جدید بر روی ساعت شبانه روزی در آزمایشگاه یک دانشمند انجام شده است: بیوشیمیدان کری پارچ در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز. پارچ توسط یک وسواس منحصر به فرد نه تنها در مورد مراحل اولیه ساعت، بلکه همچنین با رقص پیچیده پروتئین‌های ساعت همانطور که ساخته می‌شوند و با تعامل و تخریب عمل می‌کنند. مانند هر ساعت‌سازی، او از دانستن چرخ‌دنده‌ها و چرخ‌دنده‌ها راضی نیست - او همچنین باید بفهمد که چگونه با هم هماهنگ می‌شوند. او با توجه دقیق به یک سیستم واحد در طول زندگی حرفه‌ای خود، اکتشافاتی در مورد رقص پروتئین‌های ساعتی انجام داده است که حقایق گسترده‌تری را نشان می‌دهند، به عنوان مثال که پروتئین‌های بدون ساختار یا حتی نامنظم برای فرآیندهای بیولوژیکی اساسی هستند.

یکی از نشانه های پیشرفت در علوم اعصاب این است که به طور مداوم دقیق تر می شود. با استفاده از ابزارهای جدیدی که پایه محکم تری در علم صحیح دارند، دانشمندان اکنون می توانند توجه خود را بر تعریف ویژگی های منحصر به فرد سلول های مغز متمرکز کنند. امسال آنها نقشه اجتماعی را قرار داد از خفاش ها، که معلوم شد روی نقشه محیط فیزیکی خفاش ها قرار گرفته اند - همان سلول های مغزی دقیق در هیپوکامپ انواع مختلفی از اطلاعات محیطی را رمزگذاری می کنند. به نظر می رسد محققان دیگر یک بحث 30 ساله را در مورد اینکه آیا برخی از سلول های گلیال مغز - که از نظر تاریخی به سختی بیشتر از سلول های عصبی معتبرتر هستند - حل کرده اند. تحریک سیگنال های الکتریکی. تیمی از دانشمندان علوم اعصاب و محققان بالینی با کمک بیماران صرعی که برای بهبود مراقبت های پزشکی خود الکترود کاشته شده بودند، دریافتند که مغز سیستم های مختلف برای نمایش اعداد کوچک و بزرگ و برای اولین بار، محققان در سه بعدی چگونگی یک گیرنده بویایی را تجسم کردند به یک مولکول بو می چسبد - یک گام مهم در درک اینکه چگونه بینی و مغز می توانند مواد شیمیایی موجود در هوا را رهگیری کنند و اطلاعات حسی حیاتی در مورد محیط به دست آورند.