Penemuan Biologi Terbesar Tahun 2023 | Majalah Kuanta

Revolusi dalam ilmu biologi dapat terjadi dalam berbagai bentuk. Kadang-kadang hal tersebut muncul karena penggunaan alat baru atau penemuan teori radikal yang tiba-tiba membuka begitu banyak jalan baru untuk penelitian, sehingga bisa terasa memusingkan. Terkadang hal-hal tersebut terbentuk secara perlahan, melalui akumulasi penelitian yang lambat, masing-masing penelitian mewakili kerja keras selama bertahun-tahun, yang secara kolektif mengikis kebijaksanaan yang ada dan mengungkap kerangka intelektual yang lebih kuat dan lebih baik. Kedua jenis revolusi ini melepaskan banyak ide dan wawasan baru yang meningkatkan pemahaman kita tentang cara kerja kehidupan.

Setahun terakhir ini tidak ada kekurangan dari hal-hal ini. Misalnya saja para peneliti berhasil menumbuhkan “model embrio” — embrio buatan yang dikembangkan di laboratorium dan matang seperti embrio asli — yang mencapai tahap perkembangan lebih maju dibandingkan sebelumnya. Pencapaian ini pada akhirnya dapat menghasilkan wawasan baru yang berharga tentang bagaimana janin manusia tumbuh, meskipun perdebatan mengenai status etis dari model-model tersebut tampaknya juga mungkin terjadi. Sementara itu, di dunia ilmu saraf, para peneliti yang mempelajari depresi terus melakukan hal tersebut menjauh dari teori yang secara umum telah memandu banyak penelitian dan pengobatan farmasi untuk penyakit tersebut selama beberapa dekade.

Namun revolusi biologis semacam itu melibatkan kecerdikan manusia, dan para peneliti di bidang ilmu kehidupan sampai pada realisasi baru. Revolusi juga terjadi dalam biologi itu sendiri – ketika evolusi memungkinkan organisme melakukan sesuatu yang belum pernah terjadi sebelumnya. Para ahli biologi baru-baru ini menemukan lebih banyak lagi contoh terobosan semacam ini.

Melacak waktu, misalnya, adalah fungsi yang penting bagi semua makhluk hidup, mulai dari mikroorganisme yang menunggu waktunya hingga pembelahan sel berikutnya, embrio yang sedang menumbuhkan anggota badan dan organ, hingga makhluk yang lebih kompleks yang melacak perjalanan siang dan malam. Tim peneliti yang bekerja di laboratorium di seluruh dunia baru-baru ini menemukan beberapa fitur utama ketepatan waktu terikat pada metabolisme sel — yang berarti organel yang disebut mitokondria adalah generator sekaligus jam. Aspek ketepatan waktu lainnya diukur oleh kemajuan balet molekuler di mana protein khusus berputar bersama sebelum dipisahkan lagi.

Para peneliti juga berharap untuk segera membuat penemuan penting karena mereka dapat membiakkan beberapa sel primitif yang telah lama hilang Archaea Asgard. Satu miliar tahun yang lalu, Asgard archaea (atau sel-sel serupa) mengambil langkah keterlaluan dengan membentuk kemitraan permanen dengan nenek moyang mitokondria, sehingga melahirkan sel-sel kompleks pertama. Rahasia bagaimana dan mengapa terobosan biologis ini terjadi mungkin tersembunyi dalam kultur sel eksotik tersebut. Sementara itu, peneliti lain sedang menelitinya mikroba “kerak pasir”. yang tinggal di Gurun Atacama yang sangat gersang di Chili untuk mencari petunjuk tentang bagaimana sel-sel penghuni daratan pertama bisa bertahan.

Cukup banyak inovasi biologis yang luar biasa yang ditemukan pada tahun 2023 untuk membentuk sebuah parade yang sesungguhnya: plankton itu meningkatkan kemampuan fotosintesis mereka dengan menggunakan kembali salah satu membrannya, dan mikroba bawah tanah yang mempelajarinya membuat oksigen dalam kegelapan total. Sebuah trik imunologi yang melindungi bayi dalam kandungan, dan a trik neurologis yang memungkinkan otak memetakan hubungan sosial seperti lanskap fisik. Mutasi sederhana yang mengubah semut menjadi parasit sosial yang kompleks hampir dalam semalam, dan a penghancuran strategis DNA yang digunakan cacing untuk melindungi genomnya.

Quanta mencatat semua hal tersebut dan lebih banyak lagi pada tahun ini, dan ketika terobosan-terobosan baru dalam biologi fundamental mulai terungkap pada tahun-tahun mendatang, kami juga akan turut serta dalam hal tersebut.

Sama seperti ilmuwan fisika yang membangun sistem model sederhana sebagai batu loncatan untuk memahami fenomena yang lebih kompleks, beberapa ahli biologi lebih memilih mempelajari cara kerja kehidupan dengan membuat versi yang lebih sederhana. Tahun ini mereka membuat kemajuan dalam dua bidang: dalam skala besar, dalam menciptakan “model embrio”, dan dalam skala kecil, dalam mempelajari sel seminimal mungkin.

Model embrio, atau embrio sintetik, adalah produk laboratorium sel induk yang dapat diinduksi untuk tumbuh dengan setia melalui tahap awal perkembangan, meskipun sel tersebut berhenti dengan sendirinya sebelum menjalankan kembali proses perkembangan embrio secara penuh. Mereka dirancang sebagai alat potensial untuk studi eksperimental etis mengenai pembangunan manusia. Tahun ini, kelompok penelitian di Israel dan Inggris menunjukkan bahwa mereka bisa melakukannya memelihara model embrio hingga (dan mungkin melampaui) tahap di mana penelitian terhadap embrio manusia hidup diperbolehkan secara hukum. Para peneliti di Tiongkok bahkan sempat menginisiasi kehamilan monyet dengan model embrio. Keberhasilan tersebut dianggap sebagai terobosan besar dalam sebuah teknik yang dapat membantu para ilmuwan menjawab pertanyaan-pertanyaan penting tentang perkembangan prenatal, dan pada akhirnya dapat bermanfaat dalam mencegah keguguran dan cacat lahir. Pada saat yang sama, eksperimen tersebut membangkitkan kembali argumen etis mengenai penelitian ini, mengingat bahwa seiring dengan semakin majunya perkembangan model embrio, model tersebut secara intrinsik juga mulai tampak layak untuk dilindungi.

Kehidupan sintetik tidak selalu kontroversial secara etis. Tahun ini, para peneliti menguji batas sel "minimal"., organisme sederhana yang berasal dari bakteri yang telah dipreteli hingga ke tulang genomnya. Sel-sel minimal ini memiliki alat untuk bereproduksi, namun gen apa pun yang tidak penting telah dihilangkan. Dalam validasi penting tentang seberapa alami sel minimal tersebut, para peneliti menemukan bahwa genom minimal ini mampu berevolusi dan beradaptasi. Setelah 300 hari pertumbuhan dan seleksi alam di laboratorium, sel-sel minimal tersebut berhasil bersaing dengan bakteri nenek moyang asal sel tersebut. Temuan ini menunjukkan kuatnya aturan kehidupan – bahwa bahkan setelah hampir semua sumber daya genetik dirampok, sel-sel minimal dapat menggunakan alat seleksi alam untuk pulih ke bentuk kehidupan yang lebih sukses.

Kesadaran adalah perasaan keberadaan — kesadaran memiliki diri yang unik, gambaran realitas dan tempat di dunia. Ini sudah lama menjadi bidang para filsuf, tetapi baru-baru ini para ilmuwan telah membuat kemajuan (semacamnya) dalam memahami dasar neurobiologisnya.

Dalam sebuah wawancara di Sukacita Mengapa podcast yang dirilis pada bulan Mei, peneliti ilmu saraf Anil Seth dari Universitas Sussex menggambarkan kesadaran sebagai semacam “halusinasi terkendali,” di mana pengalaman kita tentang realitas muncul dari dalam diri kita. Tak satu pun dari kita bisa mengetahui secara langsung seperti apa dunia ini; memang, setiap organisme (dan individu) mengalami dunia secara berbeda. Perasaan kita terhadap realitas dibentuk oleh informasi sensorik yang kita terima dan cara otak kita mengatur dan membangunnya dalam kesadaran kita. Dalam hal ini, keseluruhan pengalaman kita adalah sebuah halusinasi – tetapi ini adalah halusinasi yang terkendali, deskripsi otak yang paling tepat mengenai lingkungan terdekat dan dunia yang lebih besar berdasarkan pada ingatan dan informasi lain yang disandikan.

Pikiran kita terus-menerus menerima informasi eksternal baru dan juga menciptakan gambaran dan narasi internalnya sendiri. Bagaimana kita bisa membedakan kenyataan dari fantasi? Tahun ini, para peneliti menemukan bahwa otak memiliki “ambang batas kenyataan” yang dengannya ia terus-menerus mengevaluasi sinyal yang diproses. Sebagian besar gambaran mental kita memiliki sinyal yang cukup lemah, sehingga ambang realitas kita dengan mudah memasukkannya ke dalam tumpukan “palsu”. Namun terkadang persepsi dan imajinasi kita bisa bercampur, dan jika gambaran tersebut cukup kuat, kita bisa menjadi bingung - berpotensi salah mengira halusinasi kita adalah kehidupan nyata.

Bagaimana kesadaran muncul dalam pikiran? Apakah ini lebih tentang pemikiran, ataukah itu merupakan produk dari pengalaman indrawi? Tahun ini, hasil a kolaborasi permusuhan tingkat tinggi yang mengadu dua teori utama kesadaran satu sama lain diumumkan. Selama lima tahun, dua tim peneliti – satu mewakili teori ruang kerja saraf global, yang berfokus pada kognisi, dan yang lainnya mewakili teori informasi terintegrasi, yang berfokus pada persepsi – bersama-sama menciptakan dan kemudian memimpin eksperimen yang bertujuan untuk menguji prediksi teori mana. lebih akurat. Hasilnya mungkin mengecewakan bagi siapa pun yang mengharapkan jawaban pasti. Di atas panggung di New York City, pada pertemuan ke-26 Asosiasi Studi Ilmiah Kesadaran, para peneliti mengakui eksperimen tersebut telah menantang kedua teori dan menyoroti perbedaan di antara keduanya, namun mereka menolak untuk menyatakan salah satu teori sebagai pemenangnya. Namun, malam itu tidak sepenuhnya tidak memuaskan: Ahli saraf Christof Koch dari Allen Institute for Brain Science mengakui taruhan berusia 25 tahun dengan filsuf David Chalmers dari New York University bahwa korelasi saraf dengan kesadaran sudah teridentifikasi sekarang. .

Seringkali dianggap remeh bahwa depresi disebabkan oleh ketidakseimbangan kimiawi di otak: khususnya, kekurangan serotonin yang kronis, suatu neurotransmitter yang membawa pesan antar sel saraf. Namun meskipun jutaan orang yang mengalami depresi di seluruh dunia mendapatkan kelegaan dari penggunaan Prozac dan obat lain yang dikenal sebagai inhibitor reuptake serotonin selektif, atau SSRI, berdasarkan teori tersebut, penelitian neuropsikiatri selama puluhan tahun telah gagal untuk memvalidasi asumsi model tersebut. Sentimen perbedaan pendapat ilmiah semakin keras: Sebuah tim ilmuwan internasional menyaring lebih dari 350 makalah dan tidak menemukan bukti yang meyakinkan bahwa kadar serotonin yang lebih rendah berhubungan dengan depresi.

Kesadaran bahwa kekurangan serotonin mungkin bukan penyebabnya memaksa para peneliti untuk memikirkan kembali secara mendasar apa itu depresi. SSRI mungkin meringankan beberapa gejala depresi dengan mengubah bahan kimia atau proses lain di otak yang merupakan penyebab langsung depresi. Ada kemungkinan juga bahwa apa yang kita sebut “depresi” mencakup berbagai kelainan yang bermanifestasi dengan serangkaian gejala serupa, termasuk kelelahan, apatis, perubahan nafsu makan, pikiran untuk bunuh diri, dan masalah tidur. Jika hal ini terjadi, penelitian tambahan yang signifikan akan diperlukan untuk mengungkap kompleksitas ini – untuk membedakan jenis dan penyebab depresi serta untuk mengembangkan pengobatan yang lebih baik.

Depresi bisa menjadi pengalaman yang mengasingkan diri. Namun hal ini berbeda dengan kesepian, suatu kondisi emosional yang telah didefinisikan dengan lebih baik oleh para ahli saraf dalam beberapa tahun terakhir. Kesepian tidak sama dengan isolasi sosial, yang merupakan ukuran obyektif dari jumlah hubungan yang dijalani seseorang: Seseorang bisa berada dalam banyak hubungan dan masih merasa kesepian. Juga bukan kecemasan sosial, yang merupakan ketakutan terhadap hubungan atau pengalaman relasional tertentu.

Sebaliknya, semakin banyak penelitian neurobiologis yang menunjukkan hal itu kesepian adalah bias dalam pikiran ke arah menafsirkan informasi sosial dengan cara yang negatif dan menghukum diri sendiri. Seolah-olah sinyal kelangsungan hidup yang mendorong kita untuk terhubung kembali dengan orang-orang yang kita andalkan telah terputus, menciptakan lingkaran isolasi yang terus berlanjut. Para ilmuwan belum menemukan pengobatan medis untuk mengatasi kesepian, tapi mungkin dengan memahami bahwa lingkaran negatif dapat membantu orang yang sangat kesepian untuk keluar dari siklus tersebut dan menemukan kenyamanan dalam hubungan yang sudah ada atau hubungan baru.

Dari mana kita berasal, dan bagaimana kita bisa sampai di sini? Pertanyaan-pertanyaan abadi tersebut dapat dijawab dengan banyak cara, dan hal ini telah mengarahkan banyak ahli biologi untuk mencari asal muasal eukariota – garis keturunan kehidupan berusia 2 miliar tahun yang mencakup semua hewan, tumbuhan dan jamur serta banyak makhluk hidup bersel tunggal. makhluk yang lebih kompleks daripada bakteri.

Pencarian eukariota pertama membuat para peneliti dengan susah payah membujuk mikroba langka dari lumpur dasar laut. Baru-baru ini, setelah enam tahun bekerja, laboratorium Eropa menjadi laboratorium kedua yang berhasil mengolah salah satu Asgard archaea— sekelompok organisme bersel tunggal primitif yang memiliki genom yang mirip dengan eukariota, dan dianggap sebagai nenek moyang mereka. Para ilmuwan berharap dengan mempelajari sel secara langsung di laboratorium akan mengungkap informasi baru tentang bagaimana eukariota berevolusi dan mendekatkan kita pada pemahaman asal usul kita.

Perjalanan evolusi eukariota pertama diselimuti misteri. Tahun ini, para ilmuwan menemukan cara untuk melakukannya mengisi kesenjangan 800 juta tahun dalam catatan fosil molekuler antara kemunculan eukariota paling awal dan nenek moyang terbaru semua eukariota yang hidup saat ini. Sebelumnya, ketika mencari informasi tentang eukariota yang hidup di ruang kosong sekitar 800 juta hingga 1.6 miliar tahun lalu, para ilmuwan tidak dapat menemukan fosil molekuler yang mereka harapkan. Namun ketika tim Australia mengubah filter pencarian mereka untuk mencari versi fosil dari molekul yang lebih primitif, mereka menemukannya dalam jumlah melimpah. Temuan ini mengungkapkan apa yang penulis sebut sebagai “dunia yang hilang” dari eukariota yang membantu menceritakan kisah sejarah evolusi awal nenek moyang kita.

Penelitian selama dekade terakhir telah berhasil mengkarakterisasi mikrobioma – kumpulan mikroorganisme yang hidup di usus kita dan di tempat lain di tubuh kita – dan cara halus yang mempengaruhi kesehatan kita. Tahun ini, para ilmuwan mengungkapkan dengan sangat rinci dari mana mikrobioma kita berasal dan bagaimana mereka berevolusi sepanjang hidup kita.

Tidak mengherankan, benih pertama mikrobioma kita biasanya berasal dari ibu – yang ditularkan saat melahirkan dan juga melalui menyusui. Penelitian yang diterbitkan tahun ini menemukan bahwa kontribusi seorang ibu tidak hanya pada organisme mikroba secara keseluruhan, tetapi juga organisme mikroba potongan kecil DNA disebut elemen genetik bergerak. Hingga tahun pertama kehidupan, elemen genetik yang bergerak ini berpindah dari bakteri ibu ke bakteri bayi melalui proses yang disebut transfer gen horizontal. Penemuan ini mengejutkan para peneliti, yang tidak menyangka tingginya tingkat koevolusi antara mikrobioma ibu dan bayi akan bertahan lama setelah lahir.

Ceritanya bukan akhir dari segalanya: Mikrobioma berevolusi sepanjang hidup kita. Analisis terbesar mengenai penularan mikrobioma manusia, yang juga diterbitkan tahun ini, mengungkapkan caranya mikrobioma mengocok dan berkumpul kembali selama beberapa dekade. Hal ini memberikan bukti jelas bahwa organisme mikrobioma menyebar di antara manusia, terutama mereka yang paling sering menghabiskan waktu bersama kita, seperti anggota keluarga, pasangan, dan teman sekamar. Dan penelitian ini meningkatkan kemungkinan menarik bahwa beberapa penyakit yang dianggap tidak menular sebenarnya bisa menular, terkadang dengan cara yang tidak kentara, melalui flora usus.

Ribuan tahun sebelum penemuan jam matahari, jam tangan, dan jam atom, organisme mengembangkan alat biologis untuk menjaga waktu. Mereka membutuhkan jam sirkadian internal yang dapat menjaga proses metabolisme mereka tetap sinkron dengan siklus siang dan malam, serta jam yang mirip dengan kalender untuk menjaga proses perkembangan mereka tetap pada jalurnya. Tahun ini, para peneliti membuat kemajuan penting dalam memahami keduanya.

Berbagai penelitian selama beberapa tahun terakhir, yang dimungkinkan oleh teknologi sel induk baru, telah berhasil memberikan penjelasan baru untuk apa yang dikenal sebagai tempo perkembangan. Semua vertebrata memulai hidup sebagai embrio sederhana – namun kecepatan perkembangan embrio, dan waktu matangnya jaringan, sangat bervariasi antar spesies dan menentukan bentuk akhirnya. Apa yang mengontrol detak jam perkembangan? Tahun ini, serangkaian eksperimen cermat di laboratorium di seluruh dunia, dengan fokus pada spesies dan sistem berbeda, menunjukkan penjelasan umum: bahwa proses metabolisme mendasar, termasuk reaksi biokimia dan ekspresi gen yang mendasarinya, semuanya menentukan kecepatannya. Proses metabolisme tersebut tampaknya diatur secara fundamental oleh mitokondria, yang mungkin memiliki peran ganda sebagai pencatat waktu dan sumber tenaga sel kompleks.

Meskipun para peneliti tersebut tersebar di seluruh dunia, penelitian baru tentang jam sirkadian telah dilakukan di laboratorium seorang ilmuwan: ahli biokimia Carrie Partch di Universitas California, Santa Cruz. Partch didorong oleh obsesi unik tidak hanya pada langkah dasar jam, tetapi juga pada tarian yang rumit bahwa protein jam bekerja saat mereka dibangun dan saat mereka berinteraksi dan terdegradasi. Seperti halnya pembuat jam tangan lainnya, dia tidak puas hanya dengan mengetahui apa itu roda gigi — dia juga perlu memahami bagaimana keduanya saling berhubungan. Dengan memberikan perhatian yang begitu besar pada satu sistem sepanjang kariernya, ia telah membuat penemuan tentang tarian protein jam yang mewakili kebenaran yang lebih luas, misalnya bahwa protein yang tidak terstruktur atau bahkan tidak teratur merupakan hal mendasar dalam proses biologis.

Salah satu tanda kemajuan dalam ilmu saraf adalah bahwa ia terus berkembang menjadi lebih tepat. Dengan menggunakan alat-alat baru yang lebih didasarkan pada sains yang sehat, para ilmuwan kini dapat memusatkan perhatian mereka pada pendefinisian keunikan sel-sel otak individu. Tahun ini mereka menemukan peta sosial kelelawar, yang ternyata ditumpangkan pada peta lingkungan fisik kelelawar - sel otak yang sama persis di hipokampus mengkode berbagai jenis informasi lingkungan. Peneliti lain tampaknya telah menyelesaikan perdebatan selama 30 tahun mengenai apakah beberapa sel glial otak – yang secara historis dianggap hanya sekedar bantalan untuk neuron yang lebih bergengsi – dapat merangsang sinyal listrik. Sebuah tim yang terdiri dari ahli saraf dan peneliti klinis, dibantu oleh pasien epilepsi yang memasang elektroda untuk meningkatkan perawatan medis mereka, menemukan bahwa otak telah sistem yang berbeda untuk mewakili bilangan kecil dan besar. Dan untuk pertama kalinya, para peneliti memvisualisasikan dalam tiga dimensi bagaimana reseptor penciuman menangkap molekul bau — sebuah langkah signifikan dalam memahami bagaimana hidung dan otak dapat mencegat bahan kimia di udara dan memperoleh informasi sensorik penting tentang lingkungan.