Biologian suurimmat löydöt vuonna 2023 | Quanta-lehti

Biologian tieteiden vallankumouksilla voi olla monia muotoja. Joskus ne puhkeavat uuden työkalun käytöstä tai radikaalin teorian keksimisestä, joka yhtäkkiä avaa niin monia uusia mahdollisuuksia tutkimukselle, että se voi tuntua huimaavalta. Joskus ne muotoutuvat hitaasti, hitaasti kertyvien tutkimusten kautta, joista jokainen edustaa vuosien vaivalloista työtä, jotka yhdessä murskaavat vallitsevan viisauden ja paljastavat vahvemman, paremman älyllisen kehyksen. Molemmat vallankumoukset vapauttavat lumivyöryjä uusia ideoita ja oivalluksia, jotka parantavat ymmärrystämme elämän toiminnasta.

Tänä vuonna näistä ei ole ollut pulaa. Esimerkiksi tutkijat onnistuneesti kasvattanut "alkiomalleja" - laboratoriossa kasvatetut keinoalkiot, jotka kypsyvät kuin todelliset - jotka saavuttivat edistyneemmän kehitysvaiheen kuin koskaan ennen. Tämä saavutus voi lopulta antaa arvokkaita uusia näkemyksiä siitä, kuinka ihmissikiöt kasvavat, vaikka keskustelu näiden mallien eettisestä asemasta näyttää myös todennäköiseltä. Samaan aikaan neurotieteen maailmassa masennusta tutkivat tutkijat ovat jatkaneet siirtyä pois teoriasta joka on yleensä ohjannut suurta osaa kyseisen taudin tutkimuksesta ja lääkehoidosta vuosikymmeniä.

Mutta tällaisiin biologisiin vallankumouksiin liittyy ihmisen kekseliäisyyttä, ja biotieteiden tutkijat tulevat uusiin oivalluksiin. Vallankumouksia tapahtuu myös itse biologiassa - kun evoluutio on mahdollistanut organismien tekemän jotain ennennäkemätöntä. Biologit ovat äskettäin löytäneet monia uusia tapauksia tällaisesta läpimurrosta.

Esimerkiksi ajan seuranta on toiminto, joka on olennainen kaikille eläville olennoille, mikro-organismeista, jotka vievät aikaansa seuraavaan solunjakautumiseen, alkioihin, jotka kasvattavat raajoja ja elimiä, monimutkaisempiin otuksiin, jotka seuraavat päivän ja yön kulumista. Laboratorioissa ympäri maailmaa työskentelevät tutkijaryhmät ovat äskettäin havainneet, että jotkin ajanoton keskeiset ominaisuudet ovat sidottu solujen aineenvaihduntaan - mikä tarkoittaa, että mitokondrioksi kutsuttu organelli on sekä generaattori että kello. Muut ajanoton näkökohdat mitataan molekyylibaletin edistyminen jossa erikoistuneet proteiinit piruetoidaan yhdessä ennen kuin ne eroavat uudelleen.

Tutkijat toivovat myös pian tekevänsä tärkeitä löytöjä nyt, kun he voivat viljellä joitain primitiivisiä, kauan kadonneita soluja, ns. Asgardin arkea. Miljardi vuotta sitten Asgard-arkeat (tai niiden kaltaiset solut) ottivat törkeän askeleen muodostaen pysyviä kumppanuuksia mitokondrioiden esi-isien kanssa ja synnyttäen siten ensimmäiset monimutkaiset solut. Salaisuudet siitä, kuinka ja miksi tuo biologinen läpimurto tapahtui, saattavat piilellä noissa eksoottisissa soluviljelmissä. Samaan aikaan muut tutkijat tutkivat asiaa "hiekankuoren" mikrobit jotka elävät surullisen kuivissa Chilen Atacaman autiomaassa saadakseen vihjeitä siitä, kuinka ensimmäiset maalla asuvat solut selvisivät.

Vuonna 2023 löydettiin tarpeeksi ihmeellisiä biologisia innovaatioita todellisen paraatin muodostamiseksi: plankton, joka ylilatasivat heidän fotosynteettisiä kykyjään uudelleenkäyttöön yhden kalvoistaan ​​ja maanalaisia ​​mikrobeja, jotka oppivat siihen tuottaa happea täydellisessä pimeydessä. immunologinen temppu joka suojaa vauvoja kohdussa, ja a neurologinen temppu jonka avulla aivot voivat kartoittaa sosiaalisia suhteita, kuten fyysisiä maisemia. Yksinkertainen mutaatio, joka muutti muurahaiset monimutkaiset sosiaaliset loiset käytännössä yön yli, ja a DNA:n strateginen purkaminen joita madot käyttävät suojellakseen genomejaan.

Quanta kronikoi kaikki nämä ja paljon muuta tänä vuonna, ja kun uusia läpimurtoja perusbiologiassa paljastuu tulevina vuosina, olemme myös niitä varten.

Samalla tavalla kuin fysiikan tiedemiehet rakentavat yksinkertaisia ​​mallijärjestelmiä ponnahduslautana monimutkaisempien ilmiöiden ymmärtämiseen, jotkut biologit haluavat oppia elämän toiminnasta luomalla yksinkertaisempia versioita. Tänä vuonna he edistyivät kahdella rintamalla: suuressa mittakaavassa "alkiomallien" luomisessa ja pienissä mittakaavassa pienimmän mahdollisen solun tutkimisessa.

Alkiomallit tai synteettiset alkiot ovat laboratoriotuotteita kantasoluista, jotka voidaan saada kasvamaan uskollisesti alkukehityksen aikana, vaikka ne loppuvat itsestään ennen kuin ne käynnistävät uudelleen täyden alkionkehitysprosessin. Ne suunniteltiin mahdollisiksi työkaluiksi ihmisen kehityksen eettiseen kokeelliseen tutkimukseen. Tänä vuonna tutkimusryhmät Israelissa ja Isossa-Britanniassa osoittivat, että he pystyvät kehittää alkiomalleja aina siihen vaiheeseen asti (ja mahdollisesti sen jälkeenkin), jolloin elävien ihmisalkioiden tutkimus on laillisesti sallittua. Kiinalaiset tutkijat jopa aloittivat apinoiden raskauden hetkellisesti alkiomalleilla. Näitä onnistumisia pidetään merkittävinä läpimurtoina tekniikalle, joka voisi auttaa tutkijoita vastaamaan tärkeisiin kysymyksiin synnytystä edeltävästä kehityksestä, ja ne saattavat lopulta maksaa hedelmää keskenmenojen ja synnynnäisten epämuodostumien estämisessä. Samaan aikaan kokeet herättivät uudelleen eettisiä argumentteja tästä tutkimuslinjasta, sillä alkiomallien kehittyessä kehittyneempiä ne voivat myös alkaa tuntua sisäisesti suojelun arvoisilta.

Synteettinen elämä ei ole aina eettisesti kiistanalaista. Tänä vuonna tutkijat testannut "minimaalisten" solujen rajojayksinkertaisia ​​organismeja, jotka ovat peräisin bakteereista, jotka on riisuttu genomiin paljaisiin luihinsa asti. Näillä minimaalisilla soluilla on työkalut lisääntymiseen, mutta kaikki geenit, jotka eivät muuten ole välttämättömiä, on poistettu. Tärkeänä validointina siitä, kuinka luonnollisesti eläviä minimaaliset solut ovat, tutkijat havaitsivat, että tämä minimaalinen genomi pystyi kehittymään ja mukautumaan. 300 päivän kasvun ja luonnollisen valinnan jälkeen laboratoriossa minimaaliset solut pystyivät kilpailemaan menestyksekkäästi esi-isien bakteereja vastaan, joista ne olivat peräisin. Löydökset osoittivat elämän sääntöjen vankuuden - että jopa sen jälkeen, kun melkein kaikki geneettiset resurssit ryöstettiin, minimaaliset solut pystyivät käyttämään luonnonvalinnan työkaluja toipuakseen menestyneempiin elämänmuotoihin.

Tietoisuus on olemisen tunne - tietoisuus ainutlaatuisesta minästä, todellisuudesta ja paikasta maailmassa. Se on ollut pitkään filosofien maastoa, mutta viime aikoina tiedemiehet ovat edistyneet (eräänlaista) sen neurobiologisen perustan ymmärtämisessä.

Haastattelussa Joy of Why Toukokuussa julkaistu podcast, Sussexin yliopiston neurotieteen tutkija Anil Seth kuvaili tietoisuutta eräänlaisena "hallittu hallusinaatio,”sillä kokemuksemme todellisuudesta syntyy sisältämme. Kukaan meistä ei voi suoraan tietää, millainen maailma on; todellakin jokainen organismi (ja yksilö) kokee maailman eri tavalla. Todellisuustajuamme muokkaa vastaanottamamme aistitieto ja tapa, jolla aivomme järjestävät sen ja rakentavat sen tietoisuudessamme. Tässä mielessä koko kokemuksemme on hallusinaatiota – mutta se on hallittua hallusinaatiota, aivojen paras arvaus lähiympäristöstä ja laajemmasta maailmasta sen muistojen ja muun koodatun tiedon perusteella.

Mielemme ottavat jatkuvasti vastaan ​​uutta ulkoista tietoa ja luovat myös omia sisäisiä mielikuvia ja kertomuksia. Kuinka voimme erottaa todellisuuden fantasioista? Tänä vuonna tutkijat havaitsivat, että aivoissa on "todellisuuden kynnys”, jota vastaan ​​se jatkuvasti arvioi prosessoituja signaaleja. Useimmilla mielikuvillamme on melko heikko signaali, joten todellisuuskynnyksemme siirtää ne helposti "väärennettyyn" pinoon. Mutta joskus havaintomme ja mielikuvituksemme voivat sekoittua, ja jos nämä kuvat ovat riittävän vahvoja, voimme hämmentyä - mahdollisesti sekoittaa hallusinaatiomme todelliseen elämään.

Miten tietoisuus syntyy mielessä? Onko kyse enemmän ajattelusta vai onko se aistikokemusten tuote? Tänä vuonna tulokset a korkean profiilin kontradiktorista yhteistyötä jotka asettivat kaksi suurta tietoisuuden teoriaa toisiaan vastaan, julkistettiin. Viiden vuoden aikana kaksi tutkijaryhmää, joista toinen edustaa globaalia hermosolujen työtilateoriaa, joka keskittyy kognitioon ja toinen integroituun informaatioteoriaan, joka keskittyy havaintoon, loi yhdessä ja johti sitten kokeita, joiden tarkoituksena oli testata minkä teorian ennusteita. olivat tarkempia. Tulokset saattoivat olla pettymys kaikille, jotka toivoivat lopullisia vastauksia. Lavalla New Yorkissa Tieteellisen Tietoisuustutkimuksen yhdistyksen 26. kokouksessa tutkijat myönsivät tapoja, joilla kokeet olivat haastaneet molemmat teoriat ja korostaneet niiden välisiä eroja, mutta he kieltäytyivät julistamasta kumpaakaan teoriaa voittajaksi. Ilta ei kuitenkaan ollut täysin epätyydyttävä: neurotieteilijä Christof Koch Allen Institute for Brain Science -instituutista myönsi 25-vuotiaan vedon New Yorkin yliopiston filosofin David Chalmersin kanssa, että tajunnan hermokorrelaatit olisi jo tunnistettu. .

Usein pidetään itsestäänselvyytenä, että masennus johtuu aivojen kemiallisesta epätasapainosta: erityisesti serotoniinin kroonisesta puutteesta, välittäjäaineesta, joka kuljettaa viestejä hermosolujen välillä. Silti vaikka miljoonat masentuneet ihmiset ympäri maailmaa saavat helpotusta Prozacin ja muiden selektiivisinä serotoniinin takaisinoton estäjinä tai SSRI-lääkkeinä tunnetuista lääkkeistä tämän teorian perusteella, vuosikymmenien mittainen neuropsykiatrinen tutkimus ei ole pystynyt vahvistamaan tämän mallin oletuksia. Tieteellisten erimielisyyksien humina on voimistunut: kansainvälinen tutkijaryhmä seuloi yli 350 artikkelia ja ei löytänyt vakuuttavia todisteita että alhaisemmat serotoniinitasot liittyvät masennukseen.

Ymmärtäminen, että serotoniinin puute ei ehkä ole syynä, pakottaa tutkijat pohtimaan perusteellisesti uudelleen, mitä masennus on. On mahdollista, että SSRI-lääkkeet lievittävät joitain masennuksen oireita muuttamalla muita kemikaaleja tai prosesseja aivoissa, jotka ovat suorempia masennuksen syitä. On myös mahdollista, että se, mitä me kutsumme "masennusta", kattaa erilaisia ​​häiriöitä, jotka ilmenevät samanlaisilla oireilla, mukaan lukien väsymys, apatia, muutokset ruokahalussa, itsemurha-ajatukset ja unihäiriöt. Jos näin on, tarvitaan merkittävää lisätutkimusta tämän monimutkaisuuden purkamiseksi – masennuksen tyyppien ja syiden erottamiseksi sekä parempien hoitojen kehittämiseksi.

Masennus voi olla eristävä kokemus. Mutta se eroaa yksinäisyydestä, tunnetilasta, jonka neurotieteilijät ovat määritelleet paremmin viime vuosina. Yksinäisyys ei ole sama asia kuin sosiaalinen eristäytyminen, joka on objektiivinen mittari ihmissuhteiden lukumäärästä: Joku voi olla monissa suhteissa ja silti yksinäinen. Se ei myöskään ole sosiaalinen ahdistus, joka on ihmissuhteiden tai tiettyjen suhdekokemusten pelkoa.

Sen sijaan kasvava joukko neurobiologisia tutkimuksia viittaa siihen yksinäisyys on harhaa mielessä sosiaalisen tiedon tulkitsemiseen negatiivisella, itseään rankaisevalla tavalla. On ikään kuin selviytymissignaali, joka on kehittynyt kehottamaan meitä ottamaan uudelleen yhteyttä ihmisiin, joihin luotamme, olisi oikosuljettu, mikä luo itsestään jatkuvan silmukan eristäytyneisyydestä. Tiedemiehet eivät ole vielä löytäneet lääketieteellistä hoitoa yksinäisyyteen, mutta ehkä yksinkertaisesti ymmärtämällä, että negatiivinen silmukka voi auttaa kroonisesti yksinäisiä pääsemään kierteestä ja löytämään lohtua olemassa olevista tai uusista yhteyksistään.

Mistä olemme kotoisin ja miten tänne päädyimme? Näihin ajattomiin kysymyksiin voitaisiin vastata monin tavoin, ja ne ovat saaneet lukuisia biologeja etsimään eukaryoottien alkuperää – 2 miljardia vuotta vanhaa elämänlinjaa, joka sisältää kaikki eläimet, kasvit ja sienet sekä monet yksisoluiset bakteeria monimutkaisempia olentoja.

Ensimmäisen eukaryootin etsinnässä tutkijat houkuttelevat huolellisesti harvinaisia ​​mikrobeja merenpohjalietteestä. Äskettäin kuuden vuoden työn jälkeen eurooppalaisesta laboratoriosta tuli vasta toinen onnistunut laboratorio viljellä yhtä Asgardin arkeista— ryhmä primitiivisiä yksisoluisia organismeja, joiden genomissa on kulmakarvoja nostattavia yhtäläisyyksiä eukaryoottien kanssa ja joiden uskotaan olevan niille esi-isimpiä. Tiedemiehet toivovat, että solujen suora tutkiminen laboratoriossa paljastaa uutta tietoa eukaryoottien kehittymisestä ja auttaa meitä ymmärtämään alkuperäämme.

Tuon ensimmäisen eukaryootin evoluutiomatka on mysteerin peitossa. Tänä vuonna tutkijat löysivät tavan täyttää 800 miljoonan vuoden aukko molekyylifossiilitietueessa aikaisimman eukaryootin ilmestymisen ja kaikkien nykyään elävien eukaryoottien uusimman esivanhemman välillä. Aiemmin etsiessään tietoa eukaryooteista, jotka elivät tyhjässä tilassa noin 800 miljoonasta 1.6 miljardiin vuoteen sitten, tutkijat eivät löytäneet odottamiaan molekyylifossiileja. Mutta kun australialainen tiimi sääti hakusuodatintaan etsiäkseen fossiilisia versioita primitiivisemmistä molekyyleistä, he löysivät niitä runsaasti. Löydökset paljastivat sen, mitä kirjoittajat kutsuvat eukaryoottien "kadonneeksi maailmaksi", joka auttaa kertomaan tarinan muinaisten esi-isiemme varhaisesta evoluutiohistoriasta.

Viime vuosikymmenen tutkimus on kuvaanut paremmin mikrobiomia – suolistossamme ja muualla kehossamme elävien mikro-organismien kokoelmaa – ja sen hienovaraisia ​​tapoja, joilla se vaikuttaa terveyteemme. Tänä vuonna tutkijat paljastivat tähän mennessä yksityiskohtaisimmillaan, mistä mikrobiomimme ovat peräisin ja miten ne kehittyvät elämämme aikana.

Ei ole yllättävää, että mikrobiomimme ensimmäiset siemenet tulevat yleensä äidiltä – ne siirtyvät synnytyksen aikana ja myös imetyksen kautta. Tänä vuonna julkaistu tutkimus osoitti, että äidin panokset eivät ole vain kokonaisia ​​mikrobiorganismeja, vaan myös pieniä DNA-pätkiä joita kutsutaan liikkuviksi geneettisiksi elementeiksi. Ensimmäisen elinvuoden ajan nämä liikkuvat geneettiset elementit hyppäävät äidin bakteereista vauvaan horisontaalisen geeninsiirron kautta. Löytö yllätti tutkijat, jotka eivät odottaneet äidin mikrobiomin ja vauvan välisen korkean yhteisevoluution jatkuvan niin kauan syntymän jälkeen.

Tämä ei ole tarinan loppu: mikrobiomi kehittyy koko elämämme ajan. Tähän mennessä suurin analyysi ihmisen mikrobiomin leviämisestä, myös julkaistu tänä vuonna, paljasti kuinka mikrobiomit sekoittuvat ja kootaan uudelleen monen vuosikymmenen aikana. Se tarjosi selkeää näyttöä siitä, että mikrobiomiorganismit leviävät ihmisten välillä, erityisesti niiden, joiden kanssa vietämme eniten aikaa, kuten perheenjäsenet, kumppanit ja kämppäkaverit. Ja tutkimus nosti esiin kiehtovan mahdollisuuden, että jotkin tarttumattomina pidetyt sairaudet voivat todella tarttua, joskus hienovaraisilla tavoilla, suolistoflooran kautta.

Aikoja ennen aurinkokellojen, kellojen ja atomikellojen keksimistä organismit kehittivät biologisia työkaluja ajan pitämiseen. He tarvitsevat sisäiset vuorokausikellot, jotka voivat pitää aineenvaihduntaprosessinsa synkronoituna päivän ja yön syklin kanssa, ja myös kalentereihin muistuttavia kelloja pitääkseen kehitysprosessinsa raiteilla. Tänä vuonna tutkijat edistyivät merkittävästi molempien ymmärtämisessä.

Useiden viime vuosien aikana tehty tutkimustulva, jonka uudet kantasoluteknologiat ovat mahdollistaneet tarjosi uusia selityksiä niin kutsuttuun kehitystempoon. Kaikki selkärankaiset aloittavat elämänsä yksinkertaisena alkiona – mutta alkion kehitysnopeus ja sen kudosten kypsymisaika vaihtelevat dramaattisesti lajien välillä ja määrittää niiden lopullisen muodon. Mikä ohjaa kehityskellon tikitystä? Tänä vuonna sarja huolellisia kokeita laboratorioissa ympäri maailmaa, keskittyen eri lajeihin ja järjestelmiin, osoitti yhteisen selityksen: että perustavanlaatuiset aineenvaihduntaprosessit, mukaan lukien biokemialliset reaktiot ja niiden taustalla oleva geeniekspressio, ohjaavat tahtia. Nämä aineenvaihduntaprosessit näyttävät olevan pohjimmiltaan mitokondrioiden järjestämiä, jotka voivat hyvinkin toimia kaksinkertaisena roolina monimutkaisen solun ajanottajana ja voimanlähteenä.

Vaikka nämä tutkijat olivat hajallaan ympäri maailmaa, uutta vuorokausikelloa koskevaa työtä on tehty yhden tiedemiehen laboratoriossa: biokemisti Carrie Partchin Kalifornian yliopistossa Santa Cruzissa. Partchia ohjaa ainutlaatuinen pakkomielle ei vain kellon perusaskeliin, vaan myös kellon perusaskeliin monimutkainen tanssi että kelloproteiinit toimivat, kun ne rakennetaan ja kun ne ovat vuorovaikutuksessa ja hajoavat. Kuten mikään kelloseppä, hän ei ole tyytyväinen tietämään, mitä vaihteet ja hampaat ovat – hänen on myös ymmärrettävä, kuinka ne sopivat yhteen. Kiinnittyessään niin tarkasti yhteen järjestelmään uransa aikana hän on tehnyt löytöjä kelloproteiinien tanssista, jotka edustavat laajempia totuuksia, esimerkiksi sitä, että rakenteettomat tai jopa epäjärjestyneet proteiinit ovat biologisten prosessien perusta.

Yksi merkki neurotieteen edistymisestä on, että se tarkentuu jatkuvasti. Käyttämällä uusia työkaluja, jotka perustuvat tiukemmin terveeseen tieteeseen, tutkijat voivat nyt keskittää huomionsa yksittäisten aivosolujen omituisuuksien määrittämiseen. Tänä vuonna he löytänyt sosiaalisen kartan lepakoiden, jotka osoittautuivat olevan päällekkäin lepakoiden fyysisen ympäristönsä kartalla – samat tarkat aivosolut hippokampuksessa koodaavat monenlaista ympäristötietoa. Muut tutkijat näyttävät ratkaisseen 30 vuotta kestäneen keskustelun siitä, pystyvätkö jotkin aivojen gliasoluista – joita on historiallisesti pidetty tuskin enemmän kuin arvokkaiden hermosolujen pehmusteena. stimuloida sähköisiä signaaleja. Neurotieteilijöiden ja kliinisten tutkijoiden ryhmä, jota auttoivat epilepsiapotilaat, joille oli istutettu elektrodeja parantaakseen sairaanhoitoaan, havaitsi, että aivoissa on erilaisia ​​järjestelmiä pienten ja suurten lukujen edustamiseen. Ja ensimmäistä kertaa tutkijat visualisoivat kolmiulotteisesti, kuinka hajureseptori tarttuu hajumolekyyliin — merkittävä askel sen ymmärtämisessä, kuinka nenä ja aivot voivat siepata ilmassa olevia kemikaaleja ja saada tärkeitä aistitietoa ympäristöstä.