Le più grandi scoperte in biologia nel 2023 | Rivista Quanti

Le rivoluzioni nelle scienze biologiche possono assumere molte forme. A volte emergono dall’uso di uno strumento nuovo o dall’invenzione di una teoria radicale che improvvisamente apre così tante nuove strade per la ricerca da creare vertigini. A volte prendono forma lentamente, attraverso il lento accumulo di studi, ognuno dei quali rappresenta anni di lavoro scrupoloso, che collettivamente sgretolano la saggezza prevalente e rivelano una struttura intellettuale più forte e migliore. Entrambi i tipi di rivoluzione scatenano valanghe di nuove idee e intuizioni che migliorano la nostra comprensione di come funziona la vita.

L'anno scorso non ne sono mancati. Ad esempio, i ricercatori hanno sviluppato con successo “modelli di embrioni” - embrioni artificiali cresciuti in laboratorio che maturano come quelli veri - che hanno raggiunto uno stadio di sviluppo più avanzato che mai. Questo risultato potrebbe alla fine fornire nuove preziose informazioni su come crescono i feti umani, anche se sembra probabile anche il dibattito sullo status etico di questi modelli. Nel frattempo, nel mondo delle neuroscienze, i ricercatori che studiano la depressione hanno continuato a farlo allontanarsi dalla teoria che ha generalmente guidato per decenni gran parte della ricerca e del trattamento farmaceutico di quella malattia.

Ma questo tipo di rivoluzione biologica coinvolge l’ingegno umano, con i ricercatori nelle scienze della vita che giungono a nuove realizzazioni. Le rivoluzioni si verificano anche nella biologia stessa, quando l’evoluzione ha consentito agli organismi di fare qualcosa senza precedenti. I biologi hanno recentemente scoperto molti altri esempi di questo tipo di innovazione.

Tenere traccia del tempo, ad esempio, è una funzione essenziale per tutti gli esseri viventi, dai microrganismi che aspettano il loro tempo fino alla successiva divisione cellulare, agli embrioni che sviluppano arti e organi, alle creature più complesse che seguono il passaggio del giorno e della notte. Squadre di ricercatori impegnati nei laboratori di tutto il mondo hanno recentemente scoperto che alcune caratteristiche chiave del cronometraggio lo sono legati al metabolismo cellulare – il che significa che l’organello chiamato mitocondrio è sia un generatore che un orologio. Altri aspetti del cronometraggio sono misurati dal svolgimento di un balletto molecolare in cui proteine ​​specializzate piroettano insieme prima di separarsi nuovamente.

I ricercatori sperano anche di fare presto importanti scoperte ora che possono coltivare alcune delle cellule primitive e perdute da tempo chiamate Archea di Asgard. Un miliardo di anni fa, gli archaea di Asgard (o cellule molto simili a loro) fecero il passo oltraggioso di formare partenariati permanenti con gli antenati dei mitocondri, dando così vita alle prime cellule complesse. I segreti su come e perché è avvenuta quella svolta biologica potrebbero essere nascosti in quelle colture cellulari esotiche. Nel frattempo, altri ricercatori stanno esaminando il Microbi “crosta di sabbia”. che vivono nel tristemente arido deserto di Atacama in Cile per trovare indizi su come sopravvissero le prime cellule terrestri.

Nel 2023 sono state scoperte abbastanza meravigliose innovazioni biologiche da formare una vera parata: il plancton potenziato le loro capacità fotosintetiche riutilizzando una delle loro membrane e i microbi sotterranei che hanno imparato a farlo produrre ossigeno nel buio più totaleÈ stato anche creato un trucco immunologico che protegge i bambini nel grembo materno e a trucco neurologico che consente al cervello di mappare le relazioni sociali come paesaggi fisici. Una semplice mutazione che ha trasformato le formiche in parassiti sociali complessi praticamente dall'oggi al domani, e a demolizione strategica del DNA che i vermi usano per salvaguardare i loro genomi.

Quanta abbiamo raccontato tutto questo e altro ancora quest'anno, e man mano che nuove scoperte nella biologia fondamentale verranno alla luce negli anni a venire, saremo lì anche per loro.

Allo stesso modo in cui gli scienziati fisici costruiscono semplici sistemi modello come trampolino di lancio per comprendere fenomeni più complessi, alcuni biologi preferiscono imparare come funziona la vita creando versioni più semplici. Quest’anno hanno fatto progressi su due fronti: su larga scala, creando “modelli di embrioni”, e su piccola scala, studiando la cellula più piccola possibile.

I modelli di embrioni, o embrioni sintetici, sono prodotti di laboratorio di cellule staminali che possono essere indotte a crescere fedelmente durante le prime fasi dello sviluppo, sebbene si auto-terminino prima di riattivare l'intero processo di sviluppo embrionale. Sono stati concepiti come potenziali strumenti per lo studio etico sperimentale dello sviluppo umano. Quest’anno, gruppi di ricerca in Israele e nel Regno Unito hanno dimostrato di poterlo fare coltivare modelli di embrioni fino alla fase in cui la ricerca sugli embrioni umani vivi è legalmente consentita (e forse anche oltre). Alcuni ricercatori in Cina hanno addirittura avviato per breve tempo gravidanze in scimmie con modelli di embrioni. Questi successi sono considerati importanti scoperte per una tecnica che potrebbe aiutare gli scienziati a rispondere a domande importanti sullo sviluppo prenatale e potrebbero eventualmente ripagare nella prevenzione di aborti e difetti congeniti. Allo stesso tempo, gli esperimenti hanno risvegliato le discussioni etiche su questa linea di ricerca, dato che man mano che i modelli embrionali diventano più avanzati dal punto di vista dello sviluppo, possono anche iniziare a sembrare più intrinsecamente meritevoli di protezione.

La vita sintetica non è sempre eticamente controversa. Quest'anno, i ricercatori testato i limiti delle celle “minime”., organismi semplici derivati ​​da batteri che sono stati ridotti all'osso genomico. Queste cellule minime hanno gli strumenti per riprodursi, ma tutti i geni che non sarebbero altrimenti essenziali sono stati rimossi. In un'importante conferma di quanto siano naturalmente realistiche le cellule minime, i ricercatori hanno scoperto che questo genoma minimo era in grado di evolversi e adattarsi. Dopo 300 giorni di crescita e selezione naturale in laboratorio, le cellule minime potrebbero competere con successo contro i batteri ancestrali da cui derivano. I risultati hanno dimostrato la robustezza delle regole della vita: anche dopo essere state derubate di quasi tutte le risorse genetiche, le cellule minime potrebbero utilizzare gli strumenti della selezione naturale per trasformarsi in forme di vita di maggior successo.

La coscienza è il sentimento di essere: la consapevolezza di avere un sé unico, un'immagine della realtà e un posto nel mondo. È stato a lungo terreno di studio dei filosofi, ma recentemente gli scienziati hanno fatto progressi (in un certo senso) nella comprensione delle sue basi neurobiologiche.

In un'intervista sul Gioia del perché podcast pubblicato a maggio, il ricercatore di neuroscienze Anil Seth dell’Università del Sussex ha descritto la coscienza come una sorta di “allucinazione controllata,” in quanto la nostra esperienza della realtà emerge da dentro di noi. Nessuno di noi può sapere direttamente com'è il mondo; infatti, ogni organismo (e individuo) sperimenta il mondo in modo diverso. Il nostro senso della realtà è modellato dalle informazioni sensoriali che riceviamo e dal modo in cui il nostro cervello le organizza e le costruisce nella nostra coscienza. In questo senso, tutta la nostra esperienza è un’allucinazione, ma è un’allucinazione controllata, la migliore descrizione del cervello dell’ambiente circostante e del mondo più ampio basata sui suoi ricordi e altre informazioni codificate.

Le nostre menti assorbono costantemente nuove informazioni esterne e creano anche le proprie immagini e narrazioni interne. Come possiamo distinguere la realtà dalla fantasia? Quest’anno, i ricercatori hanno scoperto che il cervello ha un “soglia della realtà” rispetto al quale valuta costantemente i segnali elaborati. La maggior parte delle nostre immagini mentali hanno un segnale piuttosto debole, e quindi la nostra soglia di realtà le relega facilmente nella pila dei “falsi”. Ma a volte le nostre percezioni e la nostra immaginazione possono mescolarsi e, se quelle immagini sono abbastanza forti, possiamo confonderci, scambiando potenzialmente le nostre allucinazioni per la vita reale.

Come emerge la coscienza nella mente? Si tratta più di pensare o è un prodotto di esperienze sensoriali? Quest'anno, i risultati di a collaborazione contraddittoria di alto profilo che contrapponevano due principali teorie della coscienza l’una contro l’altra. Nel corso di cinque anni, due team di ricercatori – uno che rappresenta la teoria dello spazio di lavoro neuronale globale, che si concentra sulla cognizione, e l’altro che rappresenta la teoria dell’informazione integrata, che si concentra sulla percezione – hanno co-creato e poi condotto esperimenti volti a verificare quali previsioni della teoria erano più accurati. I risultati potrebbero essere stati una delusione per chiunque sperasse in risposte definitive. Sul palco di New York City, al 26° incontro dell’Associazione per lo studio scientifico della coscienza, i ricercatori hanno riconosciuto i modi in cui gli esperimenti avevano messo in discussione entrambe le teorie e hanno evidenziato le differenze tra loro, ma hanno rifiutato di dichiarare vincitrice l’una o l’altra teoria. La serata però non è stata del tutto insoddisfacente: il neuroscienziato Christof Koch dell'Allen Institute for Brain Science ha ammesso una scommessa fatta 25 anni fa con il filosofo David Chalmers della New York University secondo cui i correlati neurali della coscienza sarebbero ormai stati identificati .

Spesso si dà per scontato che la depressione sia causata da uno squilibrio chimico nel cervello: in particolare, da una carenza cronica di serotonina, un neurotrasmettitore che trasporta messaggi tra le cellule nervose. Eppure, anche se milioni di persone depresse in tutto il mondo ottengono sollievo dall’assunzione del Prozac e degli altri farmaci noti come inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina, o SSRI, basati su quella teoria, decenni di ricerca neuropsichiatrica non sono riusciti a convalidare le ipotesi di quel modello. Il ronzio del dissenso scientifico è diventato sempre più forte: un team internazionale di scienziati ha vagliato più di 350 articoli e non ha trovato prove convincenti che livelli più bassi di serotonina sono associati alla depressione.

La consapevolezza che la carenza di serotonina potrebbe non essere la causa sta costringendo i ricercatori a ripensare radicalmente cosa sia la depressione. È possibile che gli SSRI alleviano alcuni sintomi della depressione alterando altre sostanze chimiche o processi nel cervello che sono cause più dirette della depressione. È anche possibile che ciò che chiamiamo “depressione” comprenda una varietà di disturbi che si manifestano con una serie di sintomi simili, tra cui affaticamento, apatia, cambiamenti nell’appetito, pensieri suicidi e problemi di sonno. Se così fosse, saranno necessarie ulteriori ricerche significative per svelare questa complessità, per differenziare i tipi e le cause della depressione e per sviluppare trattamenti migliori.

La depressione può essere un’esperienza isolante. Ma è distinta dalla solitudine, una condizione emotiva che i neuroscienziati hanno meglio definito negli ultimi anni. La solitudine non è la stessa cosa dell’isolamento sociale, che è una misura oggettiva del numero di relazioni in cui una persona si trova: qualcuno può avere molte relazioni ed essere comunque solo. Né si tratta di ansia sociale, che è la paura delle relazioni o di certe esperienze relazionali.

Invece, un numero crescente di ricerche neurobiologiche lo suggerisce la solitudine è un pregiudizio nella mente verso l’interpretazione delle informazioni sociali in modo negativo e autopunitivo. È come se un segnale di sopravvivenza che si è evoluto per spingerci a riconnetterci con le persone su cui facciamo affidamento fosse andato in cortocircuito, creando un circolo vizioso di isolamento sentito che si autoalimenta. Gli scienziati non hanno ancora trovato un trattamento medico per la solitudine, ma forse semplicemente comprendere che il circolo vizioso negativo può aiutare le persone cronicamente sole a sfuggire al ciclo e a trovare conforto nelle connessioni esistenti o in quelle nuove.

Da dove veniamo e come siamo arrivati ​​qui? A queste domande senza tempo si può rispondere in molti modi, e hanno spinto numerosi biologi alla ricerca delle origini degli eucarioti, la stirpe della vita vecchia di 2 miliardi di anni che comprende tutti gli animali, le piante, i funghi e molti organismi unicellulari. creature più complesse dei batteri.

La ricerca del primo eucariota ha portato i ricercatori a estrarre scrupolosamente microbi rari dai fanghi del fondale marino. Recentemente, dopo sei anni di lavoro, un laboratorio europeo è diventato solo il secondo ad avere successo coltivare uno degli archaea di Asgard- un gruppo di organismi unicellulari primitivi che hanno genomi con somiglianze sorprendenti con quelli degli eucarioti e che si ritiene siano loro ancestrali. Gli scienziati sperano che lo studio diretto delle cellule in laboratorio rivelerà nuove informazioni su come si sono evoluti gli eucarioti e ci porterà più vicini alla comprensione delle nostre origini.

Il viaggio evolutivo di quel primo eucariota è avvolto nel mistero. Quest'anno, gli scienziati hanno trovato un modo per farlo colmare un gap di 800 milioni di anni nella documentazione fossile molecolare tra la comparsa del primo eucariota e quella del più recente antenato di tutti gli eucarioti viventi oggi. In precedenza, quando cercavano informazioni sugli eucarioti che vivevano nello spazio vuoto da circa 800 milioni a 1.6 miliardi di anni fa, gli scienziati non riuscivano a trovare i fossili molecolari che si aspettavano. Ma quando un team australiano ha modificato il filtro di ricerca per cercare versioni fossilizzate di molecole più primitive, ne ha trovate in abbondanza. I risultati hanno rivelato quello che gli autori chiamano “un mondo perduto” di eucarioti che aiuta a raccontare la storia evolutiva iniziale dei nostri antichi antenati.

La ricerca degli ultimi dieci anni ha caratterizzato meglio il microbioma – l’insieme di microrganismi che vivono nel nostro intestino e in altre parti del nostro corpo – e i modi sottili in cui influenza la nostra salute. Quest’anno, gli scienziati hanno rivelato nel modo più dettagliato possibile da dove provengono i nostri microbiomi e come si evolvono nel corso della nostra vita.

Non sorprende che i primi semi del nostro microbioma provengano solitamente dalla mamma, trasmessi durante la nascita e anche attraverso l’allattamento al seno. Una ricerca pubblicata quest’anno ha scoperto che i contributi di una madre non sono solo interi organismi microbici, ma anche piccoli frammenti di DNA chiamati elementi genetici mobili. Durante il primo anno di vita, questi elementi genetici mobili passano dai batteri della madre a quelli del bambino attraverso un processo chiamato trasferimento genico orizzontale. La scoperta ha sorpreso i ricercatori, che non si aspettavano che l’alto grado di coevoluzione tra il microbioma della madre e quello del bambino continuasse così a lungo dopo la nascita.

Ma la storia non finisce qui: il microbioma si evolve nel corso della nostra vita. La più ampia analisi finora condotta sulla trasmissione del microbioma umano, pubblicata anch’essa quest’anno, ha rivelato come i microbiomi si mescolano e si ricompongono nel corso di molti decenni. Ha fornito prove evidenti del fatto che gli organismi microbiotici si diffondono tra le persone, in particolare tra coloro con cui trascorriamo la maggior parte del tempo, come familiari, partner e coinquilini. E lo studio ha sollevato l’interessante possibilità che alcune malattie considerate non trasmissibili possano effettivamente essere trasmissibili, in modi a volte subdoli, attraverso la flora intestinale.

Eoni prima dell'invenzione delle meridiane, degli orologi e degli orologi atomici, gli organismi hanno sviluppato strumenti biologici per tenere il tempo. Hanno bisogno di orologi circadiani interni che possano mantenere i loro processi metabolici in sincronia con il ciclo del giorno e della notte, e anche di orologi simili ai calendari per mantenere i loro processi di sviluppo in carreggiata. Quest’anno, i ricercatori hanno compiuto importanti progressi nella comprensione di entrambi.

Negli ultimi anni è stata avviata una raffica di ricerche, rese possibili dalle nuove tecnologie delle cellule staminali offerto nuove spiegazioni per quello che è noto come ritmo di sviluppo. Tutti i vertebrati iniziano la vita come un semplice embrione, ma la velocità con cui un embrione si sviluppa e il momento in cui i suoi tessuti maturano variano notevolmente tra le specie e determinano la loro forma finale. Cosa controlla il ticchettio dell’orologio dello sviluppo? Quest’anno, una serie di accurati esperimenti condotti nei laboratori di tutto il mondo, concentrati su specie e sistemi diversi, hanno indicato una spiegazione comune: che i processi metabolici fondamentali, comprese le reazioni biochimiche e l’espressione genetica che ne è alla base, determinano tutti il ​​ritmo. Questi processi metabolici sembrano essere organizzati fondamentalmente dai mitocondri, che potrebbero benissimo svolgere il duplice ruolo di cronometrista e fonte di energia della cellula complessa.

Mentre quei ricercatori erano sparsi in tutto il mondo, un nuovo lavoro sull’orologio circadiano è stato svolto nel laboratorio di un unico scienziato: la biochimica Carrie Partch dell’Università della California, a Santa Cruz. Partch è guidato da un'ossessione unica non solo per i passi fondamentali dell'orologio, ma anche per l'intricata danza che le proteine ​​orologio funzionano mentre vengono costruite e mentre interagiscono e si degradano. Come ogni orologiaio, non si accontenta di sapere cosa sono gli ingranaggi: deve anche capire come si incastrano. Prestando così tanta attenzione a un singolo sistema nel corso della sua carriera, ha fatto scoperte sulla danza delle proteine ​​dell'orologio che rappresentano verità più ampie, ad esempio che le proteine ​​non strutturate o addirittura disordinate sono fondamentali per i processi biologici.

Un segno del progresso delle neuroscienze è che esse diventano sempre più precise. Utilizzando nuovi strumenti più saldamente ancorati alla scienza, gli scienziati possono ora concentrare la loro attenzione sulla definizione delle peculiarità delle singole cellule cerebrali. Quest'anno loro individua la mappa sociale di pipistrelli, che si è rivelato sovrapposto alla mappa dei pipistrelli del loro ambiente fisico: le stesse cellule cerebrali nell’ippocampo codificano molteplici tipi di informazioni ambientali. Altri ricercatori sembrano aver risolto un dibattito durato 30 anni sulla possibilità che alcune cellule gliali del cervello – storicamente considerate poco più che un semplice supporto per i neuroni più prestigiosi – possano stimolare i segnali elettrici. Un team di neuroscienziati e ricercatori clinici, aiutato da pazienti epilettici a cui erano stati impiantati elettrodi per migliorare le loro cure mediche, ha scoperto che il cervello ha sistemi diversi per rappresentare numeri piccoli e grandi. E per la prima volta, i ricercatori hanno visualizzato in tre dimensioni come funziona un recettore olfattivo si aggrappa ad una molecola di odore – un passo significativo nella comprensione di come il naso e il cervello possono intercettare le sostanze chimiche presenti nell’aria e ottenere informazioni sensoriali cruciali sull’ambiente.