התגליות הגדולות ביותר בביולוגיה בשנת 2023 | מגזין קוונטה

מהפכות במדעי הביולוגיה יכולות ללבוש צורות רבות. לפעמים הם מתפרצים מהשימוש בכלי חדשני או המצאת תיאוריה רדיקלית שפתאום פותחת כל כך הרבה אפיקים חדשים למחקר, שזה יכול להרגיש מסחרר. לפעמים הם מתעצבים לאט, דרך הצטברות איטית של מחקרים, שכל אחד מהם מייצג שנים של עבודה קפדנית, שמפרקים ביחד את החוכמה הרווחת וחושפים מסגרת אינטלקטואלית חזקה וטובה יותר. שני סוגי המהפכה משחררים מפולות של רעיונות ותובנות חדשות שמשפרות את ההבנה שלנו איך החיים עובדים.

בשנה האחרונה לא חסרו כאלה. למשל, חוקרים הצמיחה בהצלחה "דגמי עוברים" - עוברים מלאכותיים שגדלו במעבדה שמתבגרים כמו אמיתיים - שהגיעו לשלב התפתחותי מתקדם יותר מאי פעם. הישג זה עשוי להניב בסופו של דבר תובנות חדשות וחשובות לגבי האופן שבו עוברים אנושיים גדלים, אם כי גם ויכוח על המעמד האתי של המודלים הללו נראה סביר. בינתיים, בעולם מדעי המוח, חוקרים שחקרו דיכאון המשיכו לעשות זאת להתרחק מהתיאוריה שבדרך כלל הנחה חלק גדול מהמחקר והטיפול התרופתי במחלה זו במשך עשרות שנים.

אבל מהפכה ביולוגית מסוג זה כרוכה בכושר המצאה אנושי, כאשר חוקרים במדעי החיים מגיעים להכרות חדשות. מהפכות מתרחשות גם בביולוגיה עצמה - כאשר האבולוציה אפשרה לאורגניזמים לעשות משהו חסר תקדים. ביולוגים גילו לאחרונה מקרים רבים נוספים של פריצת דרך מסוג זה.

מעקב אחר זמן, למשל, הוא פונקציה חיונית לכל היצורים החיים, החל ממיקרואורגניזמים המבקשים את זמנם עד לחלוקת התא הבאה ועד לעוברים המגדלים איברים ואיברים, ועד יצורים מורכבים יותר שעוקבים אחר מעבר היום והלילה. צוותי חוקרים שמתחברים למעבדות ברחבי העולם גילו לאחרונה שיש כמה מאפיינים מרכזיים של שמירת זמן קשור לחילוף חומרים תאי - מה שאומר שהאברון שנקרא מיטוכונדריון הוא גם מחולל וגם שעון. היבטים אחרים של שמירת זמן נמדדים על ידי התקדמות של בלט מולקולרי שבו חלבונים מיוחדים מתפצלים יחד לפני שהם נפרדים שוב.

החוקרים מקווים גם לגלות בקרוב תגליות חשובות כעת שהם יכולים לטפח כמה מהתאים הפרימיטיביים, שאבדו מזמן, הנקראים Asgard archaea. לפני מיליארד שנים, אסגרד ארכאאה (או תאים דומים להם) נקטו בצעד שערורייתי של יצירת שותפויות קבועות עם אבות המיטוכונדריה, ובכך הולידו את התאים המורכבים הראשונים. הסודות של איך ומדוע התרחשה פריצת הדרך הביולוגית הזו אולי אורבים בתרבויות תאים אקזוטיות אלה. בינתיים, חוקרים אחרים בודקים את זה חיידקים "קרום חצץ". שחיים במדבר אטקמה הצחיח לשמצה של צ'ילה כדי לקבל רמזים לאופן שבו שרדו התאים הראשונים בקרקע.

די חידושים ביולוגיים מופלאים התגלו בשנת 2023 כדי ליצור מצעד של ממש: פלנקטון הטעינו את יכולות הפוטוסינתזה שלהם על ידי ייעוד מחדש של אחד הממברנות שלהם, וחיידקים תת קרקעיים שלמדו לעשות זאת ליצור חמצן בחושך מוחלט. טריק אימונולוגי שמגן על תינוקות ברחם, וא טריק נוירולוגי שמאפשר למוח למפות מערכות יחסים חברתיות כמו נופים פיזיים. מוטציה פשוטה שהפכה נמלים ל טפילים חברתיים מורכבים כמעט בן לילה, וא הריסה אסטרטגית של DNA שתולעים משתמשות בהן כדי להגן על הגנום שלהן.

Quanta תיאר את כל אלה ועוד השנה, וכאשר יתגלו פריצות דרך חדשות בביולוגיה בסיסית בשנים הבאות, אנחנו נהיה שם גם בשבילן.

באותו האופן שבו מדענים פיזיקליים בונים מערכות מודל פשוטות כאבני דרך להבנת תופעות מורכבות יותר, כמה ביולוגים מעדיפים ללמוד איך החיים פועלים על ידי יצירת גרסאות פשוטות יותר. השנה הם התקדמו בשתי חזיתות: בקנה מידה גדול, ביצירת "מודלים של עוברים", ובקנה מידה קטן, בחקר התא הכי מינימלי שאפשר.

מודלים של עוברים, או עוברים סינתטיים, הם תוצרי מעבדה של תאי גזע שניתן לגרום להם לצמוח נאמנה בשלבי ההתפתחות המוקדמים, למרות שהם מסתיימים מעצמם לפני שהם משחזרים את תהליך ההתפתחות העובר המלא. הם תוכננו ככלים פוטנציאליים למחקר ניסיוני אתי של התפתחות האדם. השנה הראו קבוצות מחקר בישראל ובבריטניה שהן יכולות לטפח מודלים של עוברים לאורך כל הדרך (ואולי מעבר) לשלב שבו מותר על פי חוק מחקר על עוברים אנושיים חיים. חוקרים בסין אפילו יזמו לזמן קצר הריונות בקופים עם מודלים של עוברים. ההצלחות הללו נחשבות לפריצות דרך מרכזיות עבור טכניקה שיכולה לעזור למדענים לענות על שאלות חשובות על התפתחות טרום לידתית, והן עשויות בסופו של דבר להשתלם במניעת הפלות ומומים מולדים. יחד עם זאת, הניסויים עוררו מחדש טיעונים אתיים לגבי קו מחקר זה, בהתחשב בכך שככל שדגמי העוברים מתקדמים יותר מבחינה התפתחותית, הם יכולים גם להתחיל להיראות ראויים יותר להגנה באופן מהותי.

החיים הסינתטיים אינם תמיד שנוי במחלוקת מבחינה אתית. השנה, חוקרים בדקו את הגבולות של תאים "מינימליים"., אורגניזמים פשוטים שמקורם בחיידקים שהופשטו עד לעצמות הגנומיות החשופות שלהם. לתאים המינימליים הללו יש את הכלים להתרבות, אבל כל גנים שאינם חיוניים אחרת הוסרו. באימות חשוב של מידת החיים הטבעית של התאים המינימליים, גילו חוקרים שהגנום המינימלי הזה מסוגל להתפתח ולהסתגל. לאחר 300 ימים של צמיחה וברירה טבעית במעבדה, התאים המינימליים יכלו להתחרות בהצלחה מול חיידקי האבות מהם הם נגזרו. הממצאים הוכיחו את חוסנם של כללי החיים - שגם לאחר שנגזלו כמעט כל משאב גנטי, התאים המינימליים יכולים להשתמש בכלי הברירה הטבעית כדי להתאושש לצורות חיים מוצלחות יותר.

תודעה היא תחושת ההוויה - המודעות לבעל עצמי ייחודי, תמונת מציאות ומקום בעולם. זה כבר מזמן השטח של פילוסופים, אבל לאחרונה מדענים התקדמו (בסוגיו) בהבנת הבסיס הנוירו-ביולוגי שלו.

בראיון בנושא שמחה של למה פודקאסט שפורסם במאי, חוקר מדעי המוח אניל סת' מאוניברסיטת סאסקס תיאר את התודעה כסוג של "הזיה מבוקרת," בכך שחווית המציאות שלנו צומחת מתוכנו. אף אחד מאיתנו לא יכול לדעת ישירות איך העולם נראה; אכן, כל אורגניזם (ופרט) חווה את העולם בצורה שונה. תחושת המציאות שלנו מעוצבת על ידי המידע החושי שאנו קולטים והאופן שבו המוח שלנו מארגן אותו ובונה אותו בתודעה שלנו. במובן זה, כל החוויה שלנו היא הזיה - אבל זו הזיה מבוקרת, התיאור הטוב ביותר של המוח של הסביבה המיידית והעולם הגדול יותר על סמך הזיכרונות שלו ומידע מקודד אחר.

המוח שלנו קולט כל הזמן מידע חיצוני חדש וגם יוצר דימויים ונרטיבים פנימיים משלהם. איך נוכל להבדיל בין מציאות לפנטזיה? השנה, חוקרים גילו שלמוח יש "סף המציאותמולו הוא מעריך כל הזמן אותות מעובדים. לרוב התמונות המנטליות שלנו יש אות די חלש, ולכן סף המציאות שלנו מעביר אותם בקלות לערימה ה"מזויפת". אבל לפעמים התפיסות והדמיון שלנו יכולים להתערבב, ואם התמונות האלה חזקות מספיק, אנחנו יכולים להתבלבל - פוטנציאלית לטעות בהזיות שלנו לחיים האמיתיים.

כיצד מתעוררת התודעה בנפש? האם זה יותר על חשיבה, או שזה תוצר של חוויות חושיות? השנה, התוצאות של א שיתוף פעולה יריב בעל פרופיל גבוה שהוכרזו שהעמידו שתי תיאוריות עיקריות של תודעה זו מול זו. במהלך חמש שנים, שני צוותי חוקרים - האחד מייצג את תיאוריית מרחב העבודה הנוירוני העולמית, המתמקדת בקוגניציה, והשני מייצג את תיאוריית המידע המשולבת, המתמקדת בתפיסה - יצרו יחד ולאחר מכן הובילו ניסויים שמטרתם לבדוק את התחזיות של איזו תיאוריה היו מדויקים יותר. ייתכן שהתוצאות היו אכזבה עבור כל מי שמקווה לתשובות סופיות. על הבמה בעיר ניו יורק, במפגש ה-26 של האגודה למחקר מדעי של התודעה, החוקרים הכירו בדרכים שבהן הניסויים ערערו את שתי התיאוריות והדגישו את ההבדלים ביניהן, אך הם סירבו להכריז על כל אחת מהתיאוריות כמנצחת. עם זאת, הערב לא היה לגמרי לא מספק: מדען המוח כריסטוף קוך ממכון אלן למדעי המוח הודה בהימור בן 25 עם הפילוסוף דיוויד צ'למרס מאוניברסיטת ניו יורק שהקורלציות העצביות של התודעה היו מזוהות עד עכשיו .

לעתים קרובות מובן מאליו שדיכאון נגרם מחוסר איזון כימי במוח: באופן ספציפי, מחסור כרוני של סרוטונין, נוירוטרנסמיטר הנושא מסרים בין תאי עצב. עם זאת, למרות שמיליוני אנשים מדוכאים ברחבי העולם מקבלים הקלה מנטילת פרוזאק והתרופות האחרות הידועות כמעכבי ספיגה חוזרת של סרוטונין סלקטיבית, או SSRI, על סמך התיאוריה הזו, מחקר נוירו-פסיכיאטרי של עשרות שנים לא הצליח לאמת את ההנחות של המודל הזה. המהום של התנגדות מדעית הלך והתגבר: צוות בינלאומי של מדענים הקרין יותר מ-350 מאמרים ו לא מצאו ראיות משכנעות שרמות נמוכות יותר של סרוטונין קשורות לדיכאון.

ההבנה שחסר בסרוטונין אולי אינו הגורם מאלצת את החוקרים לחשוב מחדש מהותית מהו דיכאון. יתכן שתרופות SSRI מקלים על תסמינים מסוימים של דיכאון על ידי שינוי כימיקלים אחרים או תהליכים אחרים במוח שהם גורמים ישירים יותר לדיכאון. ייתכן גם שמה שאנו מכנים "דיכאון" מקיף מגוון הפרעות המתבטאות במכלול דומה של סימפטומים, כולל עייפות, אדישות, שינויים בתיאבון, מחשבות אובדניות ובעיות שינה. אם זה המקרה, יהיה צורך במחקר נוסף משמעותי כדי לפרוק את המורכבות הזו - כדי להבדיל בין הסוגים והגורמים לדיכאון ולפתח טיפולים טובים יותר.

דיכאון יכול להיות חוויה מבודדת. אבל זה נבדל מבדידות, מצב רגשי שמדעי המוח הגדירו טוב יותר בשנים האחרונות. בדידות אינה זהה לבידוד חברתי, שהוא מדד אובייקטיבי למספר מערכות היחסים בהן נמצא אדם: מישהו יכול להיות במערכות יחסים רבות ועדיין להיות בודד. זו גם לא חרדה חברתית, שהיא פחד ממערכות יחסים או מחוויות יחסיות מסוימות.

במקום זאת, גוף הולך וגדל של מחקרים נוירוביולוגיים מציע זאת בדידות היא הטיה בנפש לפרש מידע חברתי בצורה שלילית, ענישה עצמית. זה כאילו אות הישרדות שהתפתח כדי לדרבן אותנו להתחבר מחדש עם האנשים עליהם אנחנו מסתמכים, קצר, ויצר לולאה שמנציחה את עצמה של בידוד מורגש. מדענים עדיין לא מצאו טיפול רפואי לבדידות, אבל אולי פשוט להבין שהלולאה השלילית יכולה לעזור לבודדים באופן כרוני לברוח מהמעגל ולמצוא נחמה בקשרים הקיימים שלהם או בקשרים חדשים.

מאיפה באנו ואיך הגענו לכאן? ניתן לענות על שאלות נצחיות אלה בדרכים רבות, והן פתחו ביולוגים רבים בחיפוש אחר מקורם של האוקריוטים - שושלת החיים בת ה-2 מיליארד שנה הכוללת את כל בעלי החיים, הצמחים והפטריות ורבים חד-תאיים. יצורים מורכבים יותר מחיידקים.

החיפוש אחר האיקריוט הראשון גרם לחוקרים לשדל בקפדנות חיידקים נדירים מבוץ קרקעית הים. לאחרונה, לאחר שש שנות עבודה, מעבדה אירופית הפכה רק לשניה שהצליחה לטפח את אחת מארכיאות האסגרד- קבוצה של אורגניזמים חד-תאיים פרימיטיביים שיש להם גנומים בעלי קווי דמיון מרימים גבות לאלו של אוקריוטים, ואשר נחשבים לאבותיהם. מדענים מקווים שמחקר ישיר של התאים במעבדה יגלה מידע חדש על האופן שבו התפתחו האיקריוטים ותקדם אותנו קרוב יותר להבנת המקורות שלנו.

המסע האבולוציוני של אותו איקריוט ראשון אפוף מסתורין. השנה, מדענים מצאו דרך לעשות זאת להשלים פער של 800 מיליון שנה בתיעוד המאובנים המולקולריים בין הופעתו של האיקריוט הקדום ביותר לזה של האב הקדמון האחרון מכל האיקריוטים החיים כיום. בעבר, כשחיפשו מידע על אוקריוטים שחיו במרחב הריק מלפני כ-800 מיליון עד 1.6 מיליארד שנים, מדענים לא יכלו למצוא את המאובנים המולקולריים שהם ציפו. אבל כשצוות אוסטרלי התאים את מסנן החיפוש שלהם כדי לחפש גרסאות מאובנות של מולקולות פרימיטיביות יותר, הם מצאו אותן בשפע. הממצאים חשפו את מה שהמחברים מכנים "עולם אבוד" של אוקריוטים שעוזר לספר את סיפור ההיסטוריה האבולוציונית המוקדמת של אבותינו הקדמונים.

המחקר בעשור האחרון אפיין טוב יותר את המיקרוביום - אוסף המיקרואורגניזמים שחיים במעיים שלנו ובמקומות אחרים בגופנו - ואת הדרכים העדינות שבהן הוא משפיע על בריאותנו. השנה, מדענים חשפו בפירוט הגדול ביותר עד כה מאיפה מגיעים המיקרוביומים שלנו וכיצד הם מתפתחים במהלך חיינו.

באופן לא מפתיע, הזרעים הראשונים של המיקרוביום שלנו מגיעים בדרך כלל מאמא - מועברים במהלך הלידה וגם באמצעות הנקה. מחקר שפורסם השנה מצא שהתרומות של האם הן לא רק אורגניזמים מיקרוביאליים שלמים, אלא גם קטעים קטנים של DNA הנקראים אלמנטים גנטיים ניידים. במהלך שנת החיים הראשונה, האלמנטים הגנטיים הניידים הללו קופצים מהחיידקים של האם לזו של התינוק באמצעות תהליך הנקרא העברת גנים אופקית. התגלית הפתיעה את החוקרים, שלא ציפו שמידת האבולוציה הגבוהה בין המיקרוביום של האם לזה של התינוק תימשך כל כך הרבה זמן לאחר הלידה.

זה לא סוף הסיפור: המיקרוביום מתפתח לאורך חיינו. הניתוח הגדול ביותר עד כה של העברת מיקרוביום אנושי, שפורסם גם השנה, חשף כיצד מיקרוביומים מתערבבים ומרכיבים מחדש לאורך עשורים רבים. הוא סיפק ראיות ברורות לכך שאורגניזמים של מיקרוביום מתפשטים בין אנשים, במיוחד אלה שאיתם אנחנו מבלים הכי הרבה זמן, כמו בני משפחה, בני זוג ושותפים לדירה. והמחקר העלה את האפשרות המסקרנת שחלק מהמחלות הנחשבות בלתי מדבקות עשויות למעשה להיות מועברות, בדרכים עדינות לפעמים, דרך פלורת המעיים.

עידנים לפני המצאת שעוני שמש, שעונים ושעונים אטומיים, אורגניזמים פיתחו כלים ביולוגיים כדי לשמור על הזמן. הם זקוקים לשעונים צירקדיים פנימיים שיכולים לשמור על התהליכים המטבוליים שלהם מסונכרנים עם מחזור היום והלילה, וגם שעונים הדומים ללוחות שנה כדי לשמור על תהליכי ההתפתחות שלהם במסלול. השנה, החוקרים עשו התקדמות חשובה בהבנת שניהם.

שפע של מחקרים במהלך השנים האחרונות, שהתאפשר על ידי טכנולוגיות חדשות של תאי גזע הציע הסברים חדשים למה שמכונה קצב התפתחות. כל החולייתנים מתחילים את החיים כעובר פשוט - אבל הקצב שבו העובר מתפתח, והתזמון של התבגרות רקמותיו, משתנים באופן דרמטי בין המינים וקובעים את צורתם הסופית. מה שולט בתקתוק שעון ההתפתחות? השנה, סדרה של ניסויים זהירים במעבדות ברחבי העולם, המתמקדות במינים ומערכות שונות, הצביעו על הסבר משותף: שתהליכים מטבוליים בסיסיים, כולל תגובות ביוכימיות וביטוי הגנים שעומד בבסיסם, כולם קובעים את הקצב. נראה כי תהליכים מטבוליים אלה מאורגנים ביסודם על ידי המיטוכונדריה, אשר עשויה מאוד לשרת תפקידים כפולים כשומר הזמן ומקור הכוח של התא המורכב.

בעוד החוקרים הללו היו מפוזרים ברחבי העולם, עבודה חדשה על השעון הצירקדי נעשתה במעבדה של מדען יחיד: הביוכימאית קארי פארטש מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז. Partch מונע על ידי אובססיה ייחודית לא רק עם הצעדים הבסיסיים של השעון, אלא גם עם הריקוד המורכב שחלבוני השעון פועלים כפי שהם בנויים וככל שהם מקיימים אינטראקציה ומתכלים. כמו כל שען, היא לא מסתפקת לדעת מה הם גלגלי השיניים והגלגלים - היא גם צריכה להבין איך הם משתלבים זה בזה. כשהקדישה תשומת לב כה רבה למערכת בודדת במהלך הקריירה שלה, היא גילתה תגליות על ריקוד חלבוני השעון המייצגים אמיתות רחבות יותר, למשל שחלבונים לא מובנים או אפילו לא מופרעים הם יסוד לתהליכים ביולוגיים.

סימן אחד להתקדמות במדעי המוח הוא שהוא הולך ומדייק יותר. באמצעות כלים חדשים המבוססים יותר במדע קולי, מדענים יכולים כעת למקד את תשומת לבם בהגדרת המוזרויות של תאי מוח בודדים. השנה הם מצא את המפה החברתית של עטלפים, שהתברר שהם מונחים על מפת העטלפים של הסביבה הפיזית שלהם - אותם תאי מוח בדיוק בהיפוקמפוס מקודדים סוגים רבים של מידע סביבתי. נראה כי חוקרים אחרים פתרו ויכוח של 30 שנה בשאלה האם חלק מתאי הגליה של המוח - שנחשבים היסטוריים ככמעט יותר מאשר ריפוד לנוירונים היוקרתיים יותר - יכולים לעורר אותות חשמליים. צוות של מדעני מוח וחוקרים קליניים, בסיוע חולי אפילפסיה שהושתלו להם אלקטרודות כדי לשפר את הטיפול הרפואי שלהם, גילה שהמוח מערכות שונות לייצוג מספרים קטנים וגדולים. ובפעם הראשונה, חוקרים דמיינו בתלת מימד כיצד קולטן ריח תופס מולקולת ריח - צעד משמעותי בהבנה כיצד האף והמוח יכולים ליירט כימיקלים הנישאים באוויר ולקבל מידע חושי חיוני על הסביבה.