A legnagyobb felfedezések a biológiában 2023-ban | Quanta Magazin

A biológiai tudományok forradalma számos formát ölthet. Néha kitörnek egy új eszköz használatából vagy egy radikális elmélet feltalálásából, amely hirtelen annyi új utat nyit a kutatás számára, hogy szédítő érzés lehet. Néha lassan formálódnak, a tanulmányok lassú felhalmozódása révén, amelyek mindegyike több éves fáradságos munkát jelent, amelyek együttesen feldarabolják az uralkodó bölcsességet, és erősebb, jobb intellektuális keretet tárnak fel. Mindkét fajta forradalom új ötletek és meglátások lavináját szabadítja fel, amelyek javítják az élet működésének megértését.

Az elmúlt évben ezekből nem volt hiány. Például kutatók sikeresen termesztettek „embriómodelleket” — laboratóriumban termesztett mesterséges embriók, amelyek úgy érnek, mint a valódiak — amelyek minden eddiginél előrehaladottabb fejlődési stádiumba jutottak. Ez a teljesítmény végül értékes új betekintést nyerhet az emberi magzatok növekedésébe, bár valószínűnek tűnik e modellek etikai státuszáról szóló vita is. Eközben az idegtudomány világában a depressziót kutató kutatók folytatták távolodjunk el az elmélettől amely általában évtizedek óta irányította a betegség kutatásának és gyógyszeres kezelésének nagy részét.

Az ilyen típusú biológiai forradalom azonban magában foglalja az emberi találékonyságot, és az élettudományok kutatói új felismerésekhez jutnak. Magában a biológiában is előfordulnak forradalmak – amikor az evolúció lehetővé tette az élőlények számára, hogy valami soha nem látott dolgot tegyenek. A biológusok a közelmúltban sokkal több ilyen áttörést fedeztek fel.

Az idő követése például egy olyan funkció, amely minden élőlény számára nélkülözhetetlen, a következő sejtosztódásig idejüket betöltő mikroorganizmusoktól kezdve a végtagokat és szerveket növesztő embriókig, a nappal és éjszaka múlását nyomon követő, bonyolultabb lényekig. Világszerte laboratóriumokban dolgozó kutatócsoportok nemrégiben felfedezték, hogy az időmérés néhány kulcsfontosságú jellemzője kötődik a sejtanyagcseréhez — ami azt jelenti, hogy a mitokondriumnak nevezett organellum generátor és óra is egyben. Az időmérés egyéb szempontjait a egy molekuláris balett fejlődése amelyben a speciális fehérjék piruettet hajtanak végre, mielőtt ismét szétválnának.

A kutatók abban is reménykednek, hogy hamarosan fontos felfedezéseket tesznek, most, hogy képesek lesznek tenyészteni a primitív, rég elveszett sejteket, az ún. Asgard archaea. Egymilliárd évvel ezelőtt az Asgard archaea (vagy a hozzájuk hasonló sejtek) megtette a felháborító lépést, és állandó partnerséget alakított ki a mitokondriumok őseivel, megszületve ezzel az első összetett sejteket. Az egzotikus sejtkultúrákban rejtőzhetnek annak a titkai, hogyan és miért történt ez a biológiai áttörés. Eközben más kutatók górcső alá veszik a „grit crust” mikrobák amelyek a hírhedten száraz chilei Atacama-sivatagban élnek, hogy megtudják, hogyan maradtak életben az első szárazföldi sejtek.

2023-ban elegendő csodálatos biológiai újítást fedeztek fel ahhoz, hogy igazi parádé alakuljon ki: plankton, amely túltöltötte fotoszintetikus képességeiket az egyik membránjuk újrahasznosításával, és a föld alatti mikrobák, amelyek megtanulták oxigént termelni a teljes sötétségben. Egy immunológiai trükk amely megvédi a babákat az anyaméhben, és a neurológiai trükk amely lehetővé teszi az agy számára, hogy feltérképezze a társadalmi kapcsolatokat, például a fizikai tájakat. Egy egyszerű mutáció, amely átalakította a hangyákat összetett társadalmi paraziták gyakorlatilag egyik napról a másikra, és a a DNS stratégiai lebontása amelyet a férgek genomjuk védelmére használnak.

Quanta Mindezeket és még sok mást is megörökítettünk ebben az évben, és amint az elkövetkező években új áttörések derülnek ki az alapvető biológiában, mi is ott leszünk értük.

Ugyanúgy, ahogy a fizikatudósok egyszerű modellrendszereket építenek a bonyolultabb jelenségek megértésének lépcsőfokaiként, egyes biológusok inkább egyszerűbb változatok létrehozásával tanulják meg az élet működését. Idén két fronton haladtak előre: nagy léptékben, „embriómodellek” létrehozásában, kis léptékben pedig a lehető legminimálisabb sejt tanulmányozásában.

Az embriómodellek vagy szintetikus embriók olyan őssejtek laboratóriumi termékei, amelyek a fejlődés korai szakaszában hűséges növekedésre késztethetők, bár önmegszűnnek, mielőtt újra elindítanák a teljes embrionális fejlődési folyamatot. Ezeket az emberi fejlődés etikai kísérleti tanulmányozásának lehetséges eszközeiként dolgozták ki. Idén Izraelben és az Egyesült Királyságban működő kutatócsoportok kimutatták, hogy képesek rá embriómodelleket nevelni egészen addig (és esetleg azon túl is), amikor az élő emberi embriók kutatása legálisan engedélyezett. A kínai kutatók rövid időre embriómodellel is kezdeményeztek terhességet majmoknál. Ezeket a sikereket jelentős áttörésnek tekintik egy olyan technika esetében, amely segíthet a tudósoknak megválaszolni a születés előtti fejlődéssel kapcsolatos fontos kérdéseket, és végül kifizetődő lehet a vetélések és születési rendellenességek megelőzésében. A kísérletek egyúttal etikai érveket is felébresztettek ezzel a kutatási irányvonallal kapcsolatban, tekintettel arra, hogy az embriómodellek fejlődésének előrehaladtával kezdenek úgy tűnni, hogy belsőleg is megérdemlik a védelmet.

A szintetikus élet etikailag nem mindig vitatott. Idén a kutatók tesztelte a „minimális” sejtek határait, egyszerű organizmusok, amelyek olyan baktériumokból származnak, amelyeket genomilag csupasz csontjaikig lecsupaszítottak. Ezek a minimális sejtek rendelkeznek a szaporodáshoz szükséges eszközökkel, de minden olyan gént eltávolítottak, amelyek egyébként nem nélkülözhetetlenek. A minimális sejtek természetes élethűségének fontos igazolásaként a kutatók felfedezték, hogy ez a minimális genom képes fejlődni és alkalmazkodni. 300 napos növekedés és természetes szelekció után a laboratóriumban a minimális sejtek sikeresen versenyezhettek az ősi baktériumokkal, amelyekből származtak. A felfedezések az élet szabályainak szilárdságát bizonyították – hogy még azután is, hogy szinte minden genetikai erőforrást megfosztottak tőlük, a minimális sejtek a természetes szelekció eszközeit használhatják, hogy sikeresebb életformákká váljanak.

A tudatosság a létezés érzése – annak tudata, hogy egyedi énünk van, egy kép a valóságról és egy hely a világban. Régóta a filozófusok terepe volt, de a közelmúltban a tudósok (egyfajta) előrehaladást értek el neurobiológiai alapjainak megértésében.

Egy interjúban a Joy of Why A májusban megjelent podcast, Anil Seth, a Sussexi Egyetem idegtudományi kutatója a tudatot egyfajta „kontrollált hallucináció,” abban, hogy valóságélményünk bennünk bukkan fel. Közvetlenül egyikünk sem tudhatja, milyen a világ; valóban, minden szervezet (és egyén) másként éli meg a világot. Valóságérzékünket az általunk befogadott érzékszervi információ, valamint az agyunk rendszerezése és tudatunkban való felépítése határozza meg. Ebben az értelemben az egész tapasztalatunk egy hallucináció – de ez egy kontrollált hallucináció, az agy legjobban kitalált leírása a közvetlen környezetről és a nagyobb világról az emlékei és más kódolt információi alapján.

Elménk folyamatosan új külső információkat vesz fel, és saját belső képzeteket és narratívákat is létrehoz. Hogyan különböztethetjük meg a valóságot a fantáziától? Ebben az évben a kutatók felfedezték, hogy az agynak van egy „valóság küszöb” melyhez képest folyamatosan értékeli a feldolgozott jeleket. A legtöbb mentális képünknek elég gyenge a jele, így valóságküszöbünk könnyen a „hamis” halomba helyezi őket. De néha az észlelésünk és a képzeletünk keveredhet, és ha ezek a képek elég erősek, összezavarodhatunk – esetleg összetévesztjük hallucinációinkat a valós élettel.

Hogyan jelenik meg a tudat az elmében? Ez inkább a gondolkodásról szól, vagy érzékszervi tapasztalatok terméke? Ebben az évben az eredményeket a nagy horderejű ellenséges együttműködés amely két nagy tudatelméletet szembeállított egymással, bejelentették. Öt év leforgása alatt két kutatócsoport – az egyik a globális neuronális munkatérelméletet képviseli, amely a kognícióra, a másik pedig az integrált információelméletet képviseli, amely az észlelésre összpontosít – közösen hozott létre, majd vezetett kísérleteket, amelyek célja annak tesztelése volt, hogy melyik elmélet előrejelzései. pontosabbak voltak. Az eredmények csalódást okozhattak mindenki számára, aki végleges válaszokat remélt. A New York-i színpadon, a Tudattudományi Kutatások Szövetségének 26. ülésén a kutatók elismerték, hogy a kísérletek megkérdőjelezték mindkét elméletet, és rávilágítottak a köztük lévő különbségekre, de nem voltak hajlandók egyik elméletet sem kimondani a győztesnek. Az este azonban nem volt teljesen kielégítő: Christof Koch, az Allen Agytudományi Intézet idegtudósa elismerte azt a 25 éves fogadást David Chalmers filozófussal, a New York-i Egyetemről, hogy a tudat idegi korrelációit mára azonosították volna. .

Gyakran természetesnek tartják, hogy a depressziót az agy kémiai egyensúlyának felborulása okozza: konkrétan a szerotonin, az idegsejtek között üzeneteket hordozó neurotranszmitter krónikus hiánya. Mégis, bár világszerte depressziós emberek milliói kapnak megkönnyebbülést a Prozac és a szelektív szerotonin újrafelvétel-gátlóként vagy SSRI-ként ismert egyéb gyógyszerek szedése miatt, ezen elmélet alapján az évtizedekig tartó neuropszichiátriai kutatások nem igazolták a modell feltételezéseit. A tudományos nézeteltérések zümmögése egyre hangosabb lett: egy nemzetközi tudóscsoport több mint 350 közleményt vetített át. nem talált meggyőző bizonyítékot hogy a szerotonin alacsonyabb szintje összefügg a depresszióval.

Az a felismerés, hogy nem a szerotoninhiány lehet az oka, arra kényszeríti a kutatókat, hogy alapjaiban gondolják át, mi is a depresszió. Lehetséges, hogy az SSRI-k enyhítik a depresszió egyes tüneteit azáltal, hogy megváltoztatnak más vegyi anyagokat vagy folyamatokat az agyban, amelyek a depresszió közvetlenebb okai. Az is lehetséges, hogy amit "depressziónak" nevezünk, számos olyan rendellenességet foglal magában, amelyek hasonló tünetekkel jelentkeznek, beleértve a fáradtságot, az apátiát, az étvágy megváltozását, az öngyilkossági gondolatokat és az alvási problémákat. Ha ez a helyzet, jelentős további kutatásokra lesz szükség ennek a komplexitásnak a feloldásához – a depresszió típusainak és okainak megkülönböztetéséhez, valamint jobb kezelések kidolgozásához.

A depresszió elszigetelő élmény lehet. De ez különbözik a magánytól, egy olyan érzelmi állapottól, amelyet az idegtudósok jobban meghatároztak az elmúlt években. A magány nem azonos a társadalmi elszigeteltséggel, amely objektív mérőszáma az egy személy kapcsolatainak számának: Valaki sok kapcsolatban lehet, de mégis magányos. Nem is a szociális szorongás, ami a kapcsolatoktól vagy bizonyos kapcsolati élményektől való félelem.

Ehelyett egyre több neurobiológiai kutatás azt sugallja a magány elfogultság az elmében a társadalmi információk negatív, önbüntető módon történő értelmezése felé. Mintha egy túlélési jelzés, amely arra késztet bennünket, hogy újra kapcsolatba lépjünk azokkal az emberekkel, akikre támaszkodunk, rövidzárlatos lett volna, ami az elszigeteltség önmagában fennmaradó hurkát hozná létre. A tudósok még nem találtak orvosi kezelést a magányra, de talán egyszerűen annak megértése, hogy a negatív hurok segíthet a krónikusan magányosnak kiszabadulni a körforgásból, és megnyugvást találni meglévő vagy új kapcsolataikban.

Honnan jöttünk, és hogyan kerültünk ide? Ezeket az időtlen kérdéseket sokféleképpen meg lehetne válaszolni, és számos biológust indítottak az eukarióták eredetének kutatására – ez a 2 milliárd éves életvonal, amely magában foglalja az összes állatot, növényt, gombát és sok egysejtűt. a baktériumoknál bonyolultabb lények.

Az első eukarióta felkutatása során a kutatók gondosan ráveszik a ritka mikrobákat a tengerfenéki iszapból. A közelmúltban, hat év munka után, egy európai laboratórium csak a második lett, amelyik sikeres volt művelni az egyik Asgard archeát– primitív egysejtű organizmusok csoportja, amelyek genomja szemöldökkeltő hasonlóságot mutat az eukariótákéval, és amelyekről úgy gondolják, hogy őseik. A tudósok azt remélik, hogy a sejtek közvetlen laboratóriumi tanulmányozása új információkat fog feltárni az eukarióták fejlődésével kapcsolatban, és közelebb visz bennünket eredetünk megértéséhez.

Az első eukarióta evolúciós útját rejtély övezi. Idén a tudósok megtalálták a módját 800 millió éves hiányt pótolni a molekuláris kövületek feljegyzésében a legkorábbi eukarióta megjelenése és a ma élő eukarióta legfrissebb őse között. Korábban, amikor a nagyjából 800 millió és 1.6 milliárd évvel ezelőtti üres térben élt eukariótákról kerestek információt a tudósok, nem találták meg a várt molekuláris kövületeket. Ám amikor egy ausztrál csapat módosította a keresési szűrőjét, hogy primitívebb molekulák megkövesedett változatait keresse, bőven találták őket. Az eredmények felfedték azt, amit a szerzők az eukarióták „elveszett világának” neveznek, ami segít elmesélni ősi őseink korai evolúciós történetét.

Az elmúlt évtized kutatásai jobban jellemezték a mikrobiomot – a bélrendszerünkben és máshol a testünkben élő mikroorganizmusok gyűjteményét – és azt, hogy milyen finoman befolyásolja egészségünket. Idén a tudósok az eddigi legrészletesebben feltárták, honnan származnak mikrobiómáink, és hogyan fejlődnek életünk során.

Nem meglepő módon mikrobiómunk első magvai általában anyától származnak – születéskor és szoptatáskor is. Egy idén publikált kutatás kimutatta, hogy az anya nem csak a teljes mikrobiális organizmusok, hanem az is kis DNS-foszlányok mobil genetikai elemeknek nevezzük. Az első életévben ezek a mobil genetikai elemek az anya baktériumaitól a babához jutnak a horizontális géntranszfernek nevezett folyamaton keresztül. A felfedezés meglepte a kutatókat, akik nem számítottak arra, hogy az anya és a baba mikrobiómája közötti nagyfokú koevolúció ilyen sokáig tart majd a születés után.

Ezzel még nincs vége a történetnek: a mikrobiom életünk során fejlődik. Az emberi mikrobiom átvitelének eddigi legnagyobb, szintén idén megjelent elemzése feltárta, hogyan a mikrobiomák keverednek és újra összeállnak sok évtizeden át. Egyértelmű bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a mikrobiom organizmusok elterjednek az emberek között, különösen azok között, akikkel a legtöbb időt töltjük, mint például a családtagok, a partnerek és a szobatársak. A tanulmány pedig felvetette annak az érdekes lehetőségét, hogy egyes nem fertőzőnek tartott betegségek valóban átvihetők, néha finom módokon a bélflórán keresztül.

Eonokkal a napórák, órák és atomórák feltalálása előtt az organizmusok biológiai eszközöket fejlesztettek ki az idő tartására. Belső cirkadián órákra van szükségük, amelyek szinkronban tudják tartani anyagcsere-folyamataikat a nappal és az éjszaka körforgásával, valamint a naptárhoz hasonló órákra, hogy a fejlődési folyamataikat a pályán tartsák. Ebben az évben a kutatók jelentős előrelépést értek el mindkettő megértésében.

Az elmúlt évek során az új őssejt-technológiák által lehetővé tett kutatások hulláma történt új magyarázatokat kínált az úgynevezett fejlesztési tempóra. Minden gerinces egyszerű embrióként kezdi meg az életet – de az embrió fejlődési üteme és szövetei érésének időpontja drámaian változik a fajok között, és meghatározza végső formáját. Mi szabályozza a fejlődési óra ketyegését? Idén a világ különböző fajokra és rendszerekre fókuszáló laboratóriumokban végzett gondos kísérletek sorozata közös magyarázatra mutatott rá: az alapvető anyagcsere-folyamatok, beleértve a biokémiai reakciókat és az ezek hátterében álló génexpressziót, mind meghatározzák az iramot. Úgy tűnik, hogy ezeket az anyagcsere-folyamatokat alapvetően a mitokondriumok szervezik, amelyek nagyon is kettős szerepet tölthetnek be, mint a komplex sejt időmérője és energiaforrása.

Míg ezek a kutatók szétszóródtak a világban, a cirkadián órával kapcsolatos újszerű munkát egyetlen tudós laboratóriumában végezték: Carrie Partch biokémikusa, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetemen. Partchot nem csak az óra alapvető lépései, hanem az is egyedülálló megszállottság hajtja a bonyolult tánc hogy az órafehérjék felépítésük, valamint kölcsönhatásuk és lebomlásuk során teljesítenek. Mint minden órás, ő sem elégszik meg azzal, hogy tudja, mik a fogaskerekek és a fogaskerekek – azt is meg kell értenie, hogyan illeszkednek egymáshoz. Karrierje során egyetlen rendszerre fordított nagy figyelmet, felfedezéseket tett az órafehérjék táncáról, amelyek tágabb igazságokat képviselnek, például, hogy a strukturálatlan vagy akár rendezetlen fehérjék alapvetőek a biológiai folyamatokban.

Az idegtudomány fejlődésének egyik jele, hogy folyamatosan precízebbé válik. A tudományos alapokon nyugvó új eszközök segítségével a tudósok most az egyes agysejtek sajátosságainak meghatározására összpontosíthatják figyelmüket. Idén ők megtalálta a közösségi térképet denevérekről, amelyekről kiderült, hogy rárakódnak a denevérek fizikai környezetük térképére – a hippocampusban ugyanazok az agysejtek kódolnak többféle környezeti információt. Úgy tűnik, más kutatók megoldották azt a 30 éves vitát, hogy az agy gliasejtek némelyike ​​– amelyekről a történelem során úgy gondolják, hogy alig több, mint a tekintélyesebb neuronok párnázata – képesek-e stimulálják az elektromos jeleket. Idegkutatókból és klinikai kutatókból álló csoport, akiknek epilepsziás betegek segítettek, akiknek orvosi ellátásuk javítása érdekében elektródákat ültettek be, felfedezték, hogy az agy különböző rendszerek kis és nagy számok ábrázolására. A kutatók most először három dimenzióban vizualizálták, hogyan működik egy szaglóreceptor megragad egy szagmolekulát — jelentős lépés annak megértésében, hogy az orr és az agy hogyan képes felfogni a levegőben lebegő vegyi anyagokat, és döntő szenzoros információkat szerezni a környezetről.