De største funnene innen biologi i 2023 | Quanta Magazine

Revolusjoner innen biologiske vitenskaper kan ta mange former. Noen ganger bryter de ut av bruken av et nytt verktøy eller oppfinnelsen av en radikal teori som plutselig åpner så mange nye veier for forskning, at det kan føles svimlende. Noen ganger tar de form sakte, gjennom den langsomme akkumuleringen av studier, som hver representerer årevis med møysommelig arbeid, som kollektivt river av den rådende visdommen og avslører et sterkere, bedre intellektuelt rammeverk. Begge typer revolusjoner slipper løs snøskred av nye ideer og innsikter som forbedrer vår forståelse av hvordan livet fungerer.

Det siste året har det ikke vært mangel på disse. For eksempel forskere med suksess dyrket "embryomodeller" - laboratoriedyrkede kunstige embryoer som modnes som ekte - som nådde et mer avansert utviklingsstadium enn noen gang før. Denne prestasjonen kan til slutt gi verdifull ny innsikt i hvordan menneskelige fostre vokser, selv om debatt om den etiske statusen til disse modellene også virker sannsynlig. I mellomtiden, i en verden av nevrovitenskap, har forskere som studerer depresjon fortsatt gå bort fra teorien som generelt har ledet mye av forskningen og den farmasøytiske behandlingen av den sykdommen i flere tiår.

Men den slags biologiske revolusjoner involverer menneskelig oppfinnsomhet, med forskere innen biovitenskap som kommer til nye erkjennelser. Revolusjoner skjer også i selve biologien - når evolusjonen har gjort det mulig for organismer å gjøre noe enestående. Biologer har nylig oppdaget mange flere tilfeller av denne typen gjennombrudd.

Å holde styr på tid, for eksempel, er en funksjon som er essensiell for alle levende ting, fra mikroorganismer som tar tiden sin til neste celledeling til embryoer som vokser lemmer og organer, til mer komplekse skapninger som sporer dagen og natten. Team av forskere som kobler til laboratorier rundt om i verden har nylig oppdaget at noen nøkkelfunksjoner ved tidtaking er knyttet til cellulær metabolisme — som betyr at organellen kalt mitokondriet er både en generator og en klokke. Andre aspekter ved tidtaking måles av utviklingen av en molekylær ballett der spesialiserte proteiner piruetteres sammen før de separeres igjen.

Forskere håper også å snart gjøre viktige funn nå som de kan dyrke noen av de primitive, for lengst tapte cellene som kalles Asgard archaea. For en milliard år siden tok Asgard archaea (eller celler mye som dem) det opprørende skrittet å danne permanente partnerskap med forfedrene til mitokondriene, og dermed fødte de første komplekse cellene. Hemmelighetene til hvordan og hvorfor det biologiske gjennombruddet skjedde kan ligge på lur i de eksotiske cellekulturene. I mellomtiden undersøker andre forskere "kornskorpe" mikrober som bor i den beryktede tørre Atacama-ørkenen i Chile for å finne ledetråder til hvordan de første landboende cellene overlevde.

Nok fantastiske biologiske innovasjoner ble oppdaget i 2023 til å danne en veritabel parade: plankton som overladet sine fotosyntetiske evner ved å gjenbruke en av membranene deres, og underjordiske mikrober som lærte det lage oksygen i totalt mørke. En immunologisk triks som beskytter babyer i livmoren, og en nevrologisk triks som lar hjernen kartlegge sosiale relasjoner som fysiske landskap. En enkel mutasjon som forvandlet maur til komplekse sosiale parasitter praktisk talt over natten, og en strategisk riving av DNA som ormer bruker for å beskytte genomet sitt.

Quanta kroniserte alle disse og flere i år, og etter hvert som nye gjennombrudd innen grunnleggende biologi kommer til syne i årene fremover, vil vi også være der for dem.

På samme måte som fysiske forskere bygger enkle modellsystemer som springbrett for å forstå mer komplekse fenomener, foretrekker noen biologer å lære hvordan livet fungerer ved å lage enklere versjoner. I år gjorde de fremskritt på to fronter: i store skalaer, i å lage "embryomodeller" og i små skalaer, i å studere den mest mulig minimale celle.

Embryomodeller, eller syntetiske embryoer, er laboratorieprodukter av stamceller som kan induseres til å vokse trofast gjennom de tidlige stadiene av utviklingen, selv om de selv terminerer før de gjenoppretter hele embryonale utviklingsprosessen. De ble utviklet som potensielle verktøy for den etiske eksperimentelle studien av menneskelig utvikling. I år viste forskningsgrupper i Israel og Storbritannia at de kunne pleie embryomodeller hele veien opp gjennom (og muligens utover) stadiet der forskning på levende menneskelige embryoer er lovlig tillatt. Forskere i Kina startet til og med kort graviditeter hos aper med embryomodeller. Disse suksessene regnes som store gjennombrudd for en teknikk som kan hjelpe forskere med å svare på viktige spørsmål om prenatal utvikling, og de kan til slutt lønne seg for å forhindre spontanaborter og fødselsskader. Samtidig vekket eksperimentene etiske argumenter om denne forskningslinjen, gitt at etter hvert som embryomodellene blir mer utviklingsmessig avanserte, kan de også begynne å virke mer iboende fortjent beskyttelse.

Syntetisk liv er ikke alltid etisk omstridt. I år, forskere testet grensene for "minimale" celler, enkle organismer avledet fra bakterier som har blitt strippet ned til deres genomiske nakne bein. Disse minimale cellene har verktøyene til å reprodusere, men alle gener som ellers ikke er essensielle har blitt fjernet. I en viktig validering av hvor naturlig naturtro de minimale cellene er, oppdaget forskere at dette minimale genomet var i stand til å utvikle seg og tilpasse seg. Etter 300 dager med vekst og naturlig seleksjon i laboratoriet, kunne de minimale cellene med hell konkurrere mot forfedrebakteriene som de ble avledet fra. Funnene demonstrerte robustheten til livets regler - at selv etter å ha blitt frastjålet nesten alle genetiske ressurser, kunne de minimale cellene bruke verktøyene til naturlig utvalg for å komme seg til mer vellykkede livsformer.

Bevissthet er følelsen av å være - bevisstheten om å ha et unikt selv, et bilde av virkeligheten og en plass i verden. Det har lenge vært filosofenes terreng, men nylig har forskere gjort fremskritt (en slags) med å forstå dets nevrobiologiske grunnlag.

I et intervju om Joy of Why podcast utgitt i mai, beskrev nevrovitenskapsforskeren Anil Seth fra University of Sussex bevissthet som en slags "kontrollert hallusinasjon,” ved at vår opplevelse av virkeligheten kommer fra oss. Ingen av oss kan direkte vite hvordan verden er; faktisk, hver organisme (og individ) opplever verden annerledes. Realitetssansen vår er formet av sanseinformasjonen vi tar inn og måten hjernen vår organiserer den og konstruerer den på i vår bevissthet. I den forstand er hele opplevelsen vår en hallusinasjon - men det er en kontrollert hallusinasjon, hjernens beste gjettebeskrivelse av det umiddelbare miljøet og den større verden basert på dens minner og annen kodet informasjon.

Våre sinn tar stadig inn ny ekstern informasjon og skaper også sine egne interne bilder og fortellinger. Hvordan kan vi skille virkelighet fra fantasi? I år oppdaget forskere at hjernen har en "virkelighetsterskel” som den hele tiden evaluerer behandlede signaler mot. De fleste av våre mentale bilder har et ganske svakt signal, så virkelighetsterskelen vår overfører dem lett til den "falske" haugen. Men noen ganger kan oppfatningene våre og fantasien blandes, og hvis disse bildene er sterke nok, kan vi bli forvirret – og potensielt forveksle hallusinasjonene våre for det virkelige liv.

Hvordan oppstår bevissthet i sinnet? Handler det mer om tenkning, eller er det et produkt av sanseopplevelser? I år er resultatene av en høyprofilert motstandssamarbeid som satte to hovedteorier om bevissthet opp mot hverandre, ble annonsert. I løpet av fem år har to team av forskere – ett som representerer global neuronal arbeidsromteori, som fokuserer på kognisjon, og det andre som representerer integrert informasjonsteori, som fokuserer på persepsjon – co-skapt og ledet eksperimenter med sikte på å teste hvilken teoris spådommer. var mer nøyaktige. Resultatene kan ha vært en skuffelse for alle som håper på definitive svar. På scenen i New York City, på det 26. møtet i Association for the Scientific Study of Consciousness, anerkjente forskerne måtene eksperimentene hadde utfordret begge teoriene på og fremhevet forskjellene mellom dem, men de nektet å kåre noen av teoriene til vinneren. Kvelden var imidlertid ikke helt utilfredsstillende: Nevrovitenskapsmannen Christof Koch ved Allen Institute for Brain Science innrømmet et 25 år gammelt veddemål med filosofen David Chalmers fra New York University om at bevissthetens nevrale korrelater nå ville ha blitt identifisert .

Det tas ofte for gitt at depresjon er forårsaket av en kjemisk ubalanse i hjernen: spesifikt en kronisk mangel på serotonin, en nevrotransmitter som bærer meldinger mellom nerveceller. Men selv om millioner av deprimerte mennesker over hele verden får lindring av å ta Prozac og de andre stoffene kjent som selektive serotoninreopptakshemmere, eller SSRI, basert på den teorien, har tiår med nevropsykiatrisk forskning ikke klart å validere antakelsene til denne modellen. Summingen av vitenskapelig dissens har blitt sterkere: Et internasjonalt team av forskere screenet mer enn 350 artikler og fant ingen overbevisende bevis at lavere nivåer av serotonin er assosiert med depresjon.

Erkjennelsen av at serotoninmangel kanskje ikke er årsaken, tvinger forskerne til fundamentalt å revurdere hva depresjon er. Det er mulig at SSRI-er lindrer noen symptomer på depresjon ved å endre andre kjemikalier eller prosesser i hjernen som er mer direkte årsaker til depresjon. Det er også mulig at det vi kaller "depresjon" omfatter en rekke lidelser som manifesterer seg med et lignende sett med symptomer, inkludert tretthet, apati, endringer i appetitt, selvmordstanker og søvnproblemer. Hvis det er tilfelle, vil det være nødvendig med betydelig tilleggsforskning for å pakke ut denne kompleksiteten - for å differensiere typer og årsaker til depresjon og for å utvikle bedre behandlinger.

Depresjon kan være en isolerende opplevelse. Men det er forskjellig fra ensomhet, en følelsesmessig tilstand som nevrovitenskapsmenn har bedre definert de siste årene. Ensomhet er ikke det samme som sosial isolasjon, som er et objektivt mål på antall relasjoner en person er i: Noen kan være i mange relasjoner og fortsatt være ensom. Det er heller ikke sosial angst, som er en frykt for relasjoner eller for visse relasjonsopplevelser.

I stedet antyder en voksende mengde nevrobiologisk forskning det ensomhet er en skjevhet i sinnet mot å tolke sosial informasjon på en negativ, selvstraffende måte. Det er som om et overlevelsessignal som utviklet seg for å oppfordre oss til å gjenopprette kontakten med menneskene vi er avhengige av, har kortsluttet, og skapt en selvopprettholdende løkke av følt isolasjon. Forskere har ennå ikke funnet en medisinsk behandling for ensomhet, men kanskje rett og slett å forstå den negative sløyfen kan hjelpe de kronisk ensomme å unnslippe syklusen og finne trøst i deres eksisterende forbindelser eller i nye.

Hvor kommer vi fra, og hvordan kom vi hit? Disse tidløse spørsmålene kan besvares på mange måter, og de har satt mange biologer på jakt etter opprinnelsen til eukaryotene - den 2 milliarder år gamle livslinjen som inkluderer alle dyr, planter og sopp og mange encellede skapninger mer komplekse enn bakterier.

Jakten på den første eukaryoten har fått forskere til å møysommelig lokke sjeldne mikrober fra havbunnsslam. Nylig, etter seks års arbeid, ble et europeisk laboratorium bare det andre med suksess dyrke en av Asgard-arkeene— en gruppe primitive encellede organismer som har genomer med øyenbrynshevende likheter med de til eukaryoter, og som antas å være forfedre til dem. Forskere håper at direkte studier av cellene i laboratoriet vil avsløre ny informasjon om hvordan eukaryoter utviklet seg og bringe oss nærmere å forstå vår opprinnelse.

Den evolusjonære reisen til den første eukaryoten er innhyllet i mystikk. I år fant forskerne en måte å fylle ut et gap på 800 millioner år i den molekylære fossilregistreringen mellom utseendet til den tidligste eukaryoten og den til den nyeste stamfaren til alle eukaryoter som lever i dag. Tidligere, når de søkte informasjon om eukaryoter som levde i det tomme rommet fra omtrent 800 millioner til 1.6 milliarder år siden, kunne ikke forskere finne de molekylære fossilene de forventet. Men da et australsk team tilpasset søkefilteret sitt for å se etter fossiliserte versjoner av mer primitive molekyler, fant de dem i overflod. Funnene avslørte det forfatterne kaller "en tapt verden" av eukaryoter som hjelper til med å fortelle historien om den tidlige evolusjonshistorien til våre gamle forfedre.

Forskning det siste tiåret har bedre karakterisert mikrobiomet - samlingen av mikroorganismer som lever i tarmene våre og andre steder i kroppen vår - og de subtile måtene det påvirker helsen vår på. I år avslørte forskere i den største detalj ennå hvor mikrobiomene våre kommer fra og hvordan de utvikler seg gjennom livet.

Ikke overraskende kommer de første frøene til mikrobiomet vårt vanligvis fra mor - overført under fødselen og også gjennom amming. Forskning publisert i år fant at en mors bidrag ikke bare er hele mikrobielle organismer, men også små DNA-biter kalt mobile genetiske elementer. Opp gjennom det første leveåret hopper disse mobile genetiske elementene fra morens bakterier til babyens gjennom en prosess som kalles horisontal genoverføring. Oppdagelsen overrasket forskerne, som ikke forventet at den høye graden av samevolusjon mellom morens mikrobiom og babyen skulle fortsette så lenge etter fødselen.

Det er ikke slutten på historien: Mikrobiomet utvikler seg gjennom livet vårt. Den største analysen til nå av menneskelig mikrobiomoverføring, også publisert i år, avslørte hvordan mikrobiomer stokkes og settes sammen igjen over mange tiår. Det ga klare bevis på at mikrobiome organismer sprer seg mellom mennesker, spesielt de vi tilbringer mest tid med, som familiemedlemmer, partnere og romkamerater. Og studien reiste den spennende muligheten for at noen sykdommer som anses som ikke-smittsomme faktisk kan overføres, på noen ganger subtile måter, gjennom tarmfloraen.

Eoner før oppfinnelsen av solur, klokker og atomklokker, utviklet organismer biologiske verktøy for å holde tiden. De trenger interne døgnklokker som kan holde deres metabolske prosesser synkronisert med syklusen dag og natt, og også klokker som ligner på kalendere for å holde utviklingsprosessene på rett spor. I år har forskere gjort viktige fremskritt når det gjelder å forstå begge deler.

En mengde forskning de siste årene, muliggjort av nye stamcelleteknologier, har gjort det kom med nye forklaringer for det som kalles utviklingstempo. Alle virveldyr starter livet som et enkelt embryo - men hastigheten et embryo utvikler seg med, og tidspunktet for når vevet modnes, varierer dramatisk mellom arter og bestemmer deres endelige form. Hva styrer tikken på utviklingsklokken? I år pekte en serie nøye eksperimenter i laboratorier rundt om i verden, med fokus på ulike arter og systemer, til en felles forklaring: at grunnleggende metabolske prosesser, inkludert biokjemiske reaksjoner og genuttrykket som ligger til grunn for dem, setter farten. Disse metabolske prosessene ser ut til å være organisert fundamentalt av mitokondriene, som meget vel kan tjene doble roller som den komplekse cellens tidtaker og kraftkilde.

Mens disse forskerne var spredt over hele verden, har nytt arbeid med døgnklokken blitt utført i laboratoriet til en enkelt vitenskapsmann: biokjemikeren Carrie Partch ved University of California, Santa Cruz. Partch er drevet av en unik besettelse ikke bare med klokkens grunnleggende trinn, men også med den intrikate dansen at klokkeproteiner fungerer slik de er bygget og når de samhandler og brytes ned. Som enhver urmaker er hun ikke fornøyd med å vite hva girene og tannhjulene er - hun må også forstå hvordan de passer sammen. Ved å være så nøye med et enkelt system i løpet av karrieren har hun gjort oppdagelser om dansen til klokkeproteiner som representerer bredere sannheter, for eksempel at ustrukturerte eller til og med uordnede proteiner er grunnleggende for biologiske prosesser.

Et tegn på fremgangen innen nevrovitenskap er at den blir stadig mer presis. Ved å bruke nye verktøy som er mer solid forankret i lydvitenskap, kan forskere nå fokusere oppmerksomheten på å definere særegenhetene til individuelle hjerneceller. I år har de lokaliserte det sosiale kartet av flaggermus, som viste seg å være lagt over flaggermusens kart over deres fysiske miljø - de samme nøyaktige hjernecellene i hippocampus koder for flere typer miljøinformasjon. Andre forskere ser ut til å ha løst en 30-årig debatt om hvorvidt noen av hjernens gliaceller - historisk sett ansett for å være knapt mer enn polstring for de mer prestisjefylte nevronene - kan stimulere elektriske signaler. Et team av nevrovitenskapsmenn og kliniske forskere, hjulpet av epilepsipasienter som fikk implantert elektroder for å forbedre medisinsk behandling, oppdaget at hjernen har ulike systemer for å representere små og store tall. Og for aller første gang visualiserte forskere i tre dimensjoner hvordan en luktreseptor griper tak i et luktmolekyl — et betydelig skritt i å forstå hvordan nesen og hjernen kan fange opp luftbårne kjemikalier og få viktig sensorisk informasjon om miljøet.