Największe odkrycia w biologii w 2023 roku | Magazyn Quanta

Rewolucje w naukach biologicznych mogą przybierać różne formy. Czasami wybuchają w wyniku użycia nowatorskiego narzędzia lub wynalezienia radykalnej teorii, która nagle otwiera tak wiele nowych kierunków badań, że może to powodować zawroty głowy. Czasami nabierają kształtu powoli, poprzez powolną kumulację studiów, z których każdy reprezentuje lata żmudnej pracy, które wspólnie podważają dominującą mądrość i odsłaniają silniejsze, lepsze ramy intelektualne. Obydwa rodzaje rewolucji wyzwalają lawiny nowych pomysłów i spostrzeżeń, które poprawiają nasze zrozumienie tego, jak działa życie.

W mijającym roku nie brakowało ich. Na przykład badacze pomyślnie wyhodowano „modele zarodków” — wyhodowane w laboratorium sztuczne embriony, które dojrzewają jak prawdziwe — które osiągnęły bardziej zaawansowany etap rozwoju niż kiedykolwiek wcześniej. To osiągnięcie może ostatecznie dostarczyć cennych nowych informacji na temat wzrostu ludzkich płodów, chociaż prawdopodobna wydaje się również debata na temat statusu etycznego tych modeli. Tymczasem w świecie neuronauki badacze zajmujący się depresją nadal to robią odejdź od teorii która przez dziesięciolecia kierowała większością badań i leczenia farmaceutycznego tej choroby.

Jednak tego rodzaju rewolucje biologiczne wymagają ludzkiej pomysłowości, a badacze nauk przyrodniczych dochodzą do nowych wniosków. Rewolucje zachodzą także w samej biologii — kiedy ewolucja umożliwiła organizmom dokonanie czegoś bezprecedensowego. Biolodzy odkryli ostatnio znacznie więcej przykładów tego rodzaju przełomu.

Na przykład śledzenie czasu jest funkcją niezbędną dla wszystkich żywych istot, od mikroorganizmów czekających na swój czas do następnego podziału komórkowego, przez embriony rozwijające kończyny i narządy, po bardziej złożone stworzenia śledzące upływ dnia i nocy. Zespoły badaczy pracujących w laboratoriach na całym świecie odkryły niedawno, że niektóre kluczowe cechy pomiaru czasu to: związany z metabolizmem komórkowym — co oznacza, że ​​organella zwana mitochondrium jest zarówno generatorem, jak i zegarem. Inne aspekty pomiaru czasu są mierzone przez postęp baletu molekularnego w którym wyspecjalizowane białka wykonują piruet razem, zanim ponownie się rozdzielą.

Naukowcy mają także nadzieję, że wkrótce dokonają ważnych odkryć, ponieważ będą mogli hodować niektóre prymitywne, dawno zaginione komórki zwane Archeony Asgardu. Miliard lat temu archeony Asgardu (lub komórki do nich podobne) dokonały skandalicznego kroku, tworząc trwałe partnerstwa z przodkami mitochondriów, dając w ten sposób pierwsze złożone komórki. Tajemnice tego, jak i dlaczego nastąpił ten biologiczny przełom, mogą czaić się w tych egzotycznych kulturach komórkowych. Tymczasem inni badacze badają mikroorganizmy typu „piaskowa skorupa”. żyjących na niesławnej pustyni Atakama w Chile w poszukiwaniu wskazówek na temat przetrwania pierwszych komórek lądowych.

W 2023 r. odkryto wystarczająco dużo wspaniałych innowacji biologicznych, aby stworzyć prawdziwą paradę: plankton, który doładowali swoje zdolności fotosyntetyczne zmieniając przeznaczenie jednej ze swoich membran i podziemne mikroby, które się tego nauczyły wytwarzać tlen w całkowitej ciemności. sztuczka immunologiczna który chroni dziecko w łonie matki, oraz a neurologiczna sztuczka co pozwala mózgowi mapować relacje społeczne, takie jak fizyczne krajobrazy. Prosta mutacja, która przekształciła mrówki w złożone pasożyty społeczne praktycznie przez noc, oraz a strategiczne niszczenie DNA których robaki używają do ochrony swoich genomów.

Quanta omówiliśmy to wszystko i jeszcze więcej w tym roku, a gdy w nadchodzących latach wyjdą na jaw nowe przełomowe odkrycia w biologii podstawowej, my również będziemy tam, aby im pomóc.

W ten sam sposób, w jaki fizycy budują proste systemy modelowe jako odskocznię do zrozumienia bardziej złożonych zjawisk, niektórzy biolodzy wolą uczyć się, jak działa życie, tworząc prostsze wersje. W tym roku poczynili postępy na dwóch frontach: na dużą skalę, tworząc „modele zarodków” i na małą skalę, badając możliwie najmniejszą komórkę.

Modele zarodków, czyli syntetyczne embriony, to laboratoryjne produkty komórek macierzystych, które można indukować do wiernego wzrostu na wczesnych etapach rozwoju, chociaż ulegają one samozakończeniu przed ponownym rozpoczęciem pełnego procesu rozwoju embrionalnego. Zaprojektowano je jako potencjalne narzędzia do etycznych, eksperymentalnych badań rozwoju człowieka. W tym roku grupy badawcze w Izraelu i Wielkiej Brytanii wykazały, że jest to możliwe pielęgnować modele zarodków aż do (a być może nawet później) etapu, na którym badania na żywych embrionach ludzkich są prawnie dozwolone. Naukowcy z Chin nawet na krótko zainicjowali ciąże u małp, korzystając z modeli zarodków. Sukcesy te uważa się za poważny przełom w technice, która może pomóc naukowcom odpowiedzieć na ważne pytania dotyczące rozwoju prenatalnego i ostatecznie może się opłacić w zapobieganiu poronieniom i wadom wrodzonym. Jednocześnie eksperymenty ponownie wzbudziły argumenty etyczne dotyczące tego kierunku badań, biorąc pod uwagę, że w miarę jak modele embrionów stają się bardziej zaawansowane w rozwoju, mogą również zacząć wydawać się, że z natury rzeczy zasługują na ochronę.

Życie syntetyczne nie zawsze jest kontrowersyjne etycznie. W tym roku naukowcy przetestował granice „minimalnych” komórek, proste organizmy pochodzące z bakterii, które zostały rozebrane do gołych kości genomowych. Te minimalne komórki mają narzędzia do reprodukcji, ale wszelkie geny, które w przeciwnym razie nie byłyby niezbędne, zostały usunięte. Dokonując ważnego sprawdzenia, jak naturalnie realistyczne są komórki minimalne, naukowcy odkryli, że ten minimalny genom był w stanie ewoluować i przystosowywać się. Po 300 dniach wzrostu i naturalnej selekcji w laboratorium minimalne komórki mogły skutecznie konkurować z bakteriami przodków, z których pochodzą. Odkrycia wykazały solidność zasad życia — że nawet po okradzieniu prawie wszystkich zasobów genetycznych minimalne komórki mogą korzystać z narzędzi doboru naturalnego, aby powrócić do bardziej pomyślnych form życia.

Świadomość to poczucie bycia — świadomość posiadania wyjątkowego siebie, obrazu rzeczywistości i miejsca w świecie. Od dawna jest to obszar zainteresowań filozofów, ale ostatnio naukowcy poczynili (swego rodzaju postęp) w zrozumieniu jego neurobiologicznych podstaw.

W wywiadzie dla Radość dlaczego podcast wydany w maju, badacz neurologii Anil Seth z Uniwersytetu w Sussex opisał świadomość jako rodzaj „kontrolowana halucynacja,” w tym sensie, że nasze doświadczenie rzeczywistości wyłania się z naszego wnętrza. Nikt z nas nie może bezpośrednio wiedzieć, jaki jest świat; w istocie każdy organizm (i jednostka) doświadcza świata inaczej. Nasze poczucie rzeczywistości jest kształtowane przez informacje zmysłowe, które przyjmujemy oraz sposób, w jaki nasz mózg je organizuje i konstruuje w naszej świadomości. W tym sensie całe nasze doświadczenie jest halucynacją – ale jest to halucynacja kontrolowana, oparty na wspomnieniach i innych zakodowanych informacjach, sporządzony przez mózg opis bezpośredniego otoczenia i większego świata.

Nasze umysły nieustannie przyjmują nowe informacje zewnętrzne, a także tworzą własne wewnętrzne obrazy i narracje. Jak odróżnić rzeczywistość od fantazji? W tym roku naukowcy odkryli, że mózg ma „próg rzeczywistości”, względem którego stale ocenia przetwarzane sygnały. Większość naszych obrazów mentalnych ma dość słaby sygnał, dlatego nasz próg rzeczywistości z łatwością umieszcza je na „fałszywym” stosie. Ale czasami nasze postrzeganie i wyobraźnia mogą się ze sobą mieszać, a jeśli te obrazy są wystarczająco mocne, możemy się pogubić – potencjalnie myląc nasze halucynacje z prawdziwym życiem.

Jak świadomość pojawia się w umyśle? Czy chodzi bardziej o myślenie, czy też jest to produkt doznań zmysłowych? W tym roku wyniki A głośna, kontradyktoryjna współpraca ogłoszono, że przeciwstawiły sobie dwie główne teorie świadomości. W ciągu pięciu lat dwa zespoły badaczy — jeden reprezentujący teorię globalnej neuronalnej przestrzeni roboczej, która koncentruje się na poznaniu, a drugi reprezentujący zintegrowaną teorię informacji, która koncentruje się na percepcji — współtworzył, a następnie prowadził eksperymenty mające na celu sprawdzenie przewidywań tej teorii. były dokładniejsze. Wyniki mogły rozczarować każdego, kto liczył na ostateczne odpowiedzi. Na scenie w Nowym Jorku, podczas 26. spotkania Association for the Scientific Study of Consciousness, badacze przyznali, że eksperymenty podważyły ​​obie teorie i uwydatniły różnice między nimi, ale odmówili ogłoszenia zwycięzcy którejkolwiek z teorii. Jednak wieczór nie był całkowicie niezadowalający: neurobiolog Christof Koch z Allen Institute for Brain Science zgodził się z 25-letnim zakładem z filozofem Davidem Chalmersem z New York University, że neuronalne korelaty świadomości zostały już zidentyfikowane .

Często przyjmuje się za pewnik, że depresja jest spowodowana brakiem równowagi chemicznej w mózgu, a konkretnie chronicznym niedoborem serotoniny, neuroprzekaźnika przenoszącego informacje między komórkami nerwowymi. Mimo że miliony osób cierpiących na depresję na całym świecie odczuwa ulgę dzięki zażywaniu Prozacu i innych leków zwanych selektywnymi inhibitorami wychwytu zwrotnego serotoniny, czyli SSRI, w oparciu o tę teorię, trwające dziesięciolecia badania neuropsychiatryczne nie potwierdziły założeń tego modelu. Szum sprzeciwu naukowego staje się coraz głośniejszy: międzynarodowy zespół naukowców przejrzał ponad 350 artykułów i nie znalazł żadnych przekonujących dowodów że niższy poziom serotoniny jest powiązany z depresją.

Uświadomienie sobie, że niedobór serotoniny może nie być przyczyną, zmusza badaczy do ponownego przemyślenia, czym jest depresja. Możliwe, że SSRI łagodzą niektóre objawy depresji, zmieniając inne substancje chemiczne lub procesy w mózgu, które są bardziej bezpośrednimi przyczynami depresji. Możliwe jest również, że to, co nazywamy „depresją”, obejmuje różnorodne zaburzenia, które objawiają się podobnym zestawem objawów, w tym zmęczeniem, apatią, zmianami apetytu, myślami samobójczymi i problemami ze snem. W takim przypadku potrzebne będą dodatkowe, znaczące badania, aby rozwikłać tę złożoność – zróżnicować rodzaje i przyczyny depresji oraz opracować lepsze metody leczenia.

Depresja może być doświadczeniem izolującym. Różni się jednak od samotności – stanu emocjonalnego, który neurobiolodzy lepiej zdefiniowali w ostatnich latach. Samotność to nie to samo, co izolacja społeczna, która jest obiektywną miarą liczby związków, w których dana osoba jest: ktoś może być w wielu związkach i nadal być samotny. Nie jest to też lęk społeczny, który jest strachem przed związkami lub pewnymi doświadczeniami relacyjnymi.

Zamiast tego sugeruje to coraz większa liczba badań neurobiologicznych samotność jest uprzedzeniem w umyśle w kierunku interpretowania informacji społecznych w negatywny, samokarający się sposób. To tak, jakby sygnał przetrwania, który ewoluował, aby nakłonić nas do ponownego nawiązania kontaktu z ludźmi, na których polegamy, uległ zwarciu, tworząc samonapędzającą się pętlę odczuwanej izolacji. Naukowcy nie znaleźli jeszcze lekarstwa na samotność, ale być może po prostu zrozumienie, że pętla ujemna może pomóc osobom przewlekle samotnym uciec z kręgu i znaleźć pocieszenie w istniejących lub nowych związkach.

Skąd pochodzimy i jak się tu dostaliśmy? Na te ponadczasowe pytania można odpowiedzieć na wiele sposobów, co skłoniło wielu biologów do poszukiwania pochodzenia eukariontów — liczącej 2 miliardy lat linii życia, która obejmuje wszystkie zwierzęta, rośliny i grzyby, a także wiele jednokomórkowych organizmów. stworzenia bardziej złożone niż bakterie.

W poszukiwaniu pierwszego eukarionta badacze skrupulatnie wydobywają rzadkie drobnoustroje z osadu z dna morskiego. Niedawno, po sześciu latach pracy, europejskie laboratorium stało się dopiero drugim, które odniosło sukces uprawiaj jedną z archeonów Asgardu— grupa prymitywnych organizmów jednokomórkowych, których genomy są zaskakująco podobne do genomów eukariontów i które uważa się za ich przodków. Naukowcy mają nadzieję, że bezpośrednie badanie komórek w laboratorium ujawni nowe informacje na temat ewolucji eukariontów i przybliży nas do zrozumienia naszego pochodzenia.

Ewolucyjna podróż pierwszego eukarionta owiana jest tajemnicą. W tym roku naukowcy znaleźli na to sposób wypełnić lukę trwającą 800 milionów lat w molekularnym zapisie kopalnym pomiędzy pojawieniem się najwcześniejszego eukarionta a pojawieniem się najnowszego przodka wszystkich żyjących obecnie eukariontów. Wcześniej, szukając informacji na temat eukariontów, które żyły w pustej przestrzeni od około 800 milionów do 1.6 miliarda lat temu, naukowcy nie mogli znaleźć oczekiwanych skamieniałości molekularnych. Kiedy jednak australijski zespół ulepszył swój filtr wyszukiwania, aby szukać skamieniałych wersji bardziej prymitywnych cząsteczek, znalazł ich w dużych ilościach. Odkrycia ujawniły to, co autorzy nazywają „zaginionym światem” eukariontów, co pomaga opowiedzieć historię wczesnej historii ewolucyjnej naszych starożytnych przodków.

Badania przeprowadzone w ciągu ostatniej dekady lepiej scharakteryzowały mikrobiom – zbiór mikroorganizmów żyjących w naszych jelitach i innych częściach naszego ciała – oraz subtelne sposoby, w jaki wpływa on na nasze zdrowie. W tym roku naukowcy ujawnili najdokładniej jak dotąd, skąd pochodzą nasze mikrobiomy i jak ewoluują przez całe życie.

Nic więc dziwnego, że pierwsze nasiona naszego mikrobiomu zwykle pochodzą od mamy i są przenoszone podczas porodu, a także podczas karmienia piersią. Badania opublikowane w tym roku wykazały, że wkładem matki są nie tylko całe organizmy bakteryjne, ale także małe fragmenty DNA zwane ruchomymi elementami genetycznymi. Przez cały pierwszy rok życia te mobilne elementy genetyczne przeskakują z bakterii matki do dziecka w procesie zwanym poziomym transferem genów. Odkrycie zaskoczyło badaczy, którzy nie spodziewali się, że wysoki stopień koewolucji między mikrobiomem matki a mikrobiomem dziecka będzie trwał tak długo po urodzeniu.

To nie koniec historii: mikrobiom ewoluuje przez całe nasze życie. Największa jak dotąd analiza przenoszenia ludzkiego mikrobiomu, również opublikowana w tym roku, ujawniła, w jaki sposób mikrobiomy mieszają się i łączą ponownie przez wiele dziesięcioleci. Dostarczyło wyraźnych dowodów na to, że mikrobiomy rozprzestrzeniają się między ludźmi, zwłaszcza tymi, z którymi spędzamy najwięcej czasu, takimi jak członkowie rodziny, partnerzy i współlokatorzy. Badanie wykazało intrygującą możliwość, że niektóre choroby uważane za niezakaźne mogą w rzeczywistości być przenoszone, czasami w subtelny sposób, przez florę jelitową.

Eony przed wynalezieniem zegarów słonecznych, zegarków i zegarów atomowych organizmy wyewoluowały narzędzia biologiczne umożliwiające odmierzanie czasu. Potrzebują wewnętrznych zegarów dobowych, które synchronizują ich procesy metaboliczne z cyklem dnia i nocy, a także zegarów przypominających kalendarze, aby utrzymać prawidłowy przebieg procesów rozwojowych. W tym roku badacze poczynili istotne postępy w zrozumieniu obu zjawisk.

Dzięki nowym technologiom komórek macierzystych udało się przeprowadzić szereg badań prowadzonych w ciągu ostatnich kilku lat złożył nowe wyjaśnienia dla tak zwanego tempa rozwoju. Wszystkie kręgowce zaczynają życie jako prosty zarodek, ale tempo rozwoju zarodka i czas dojrzewania jego tkanek znacznie różnią się w zależności od gatunku i determinują ich ostateczną formę. Co kontroluje tykanie zegara rozwojowego? W tym roku seria dokładnych eksperymentów w laboratoriach na całym świecie, koncentrujących się na różnych gatunkach i układach, wskazała na wspólne wyjaśnienie: podstawowe procesy metaboliczne, w tym reakcje biochemiczne i leżąca u ich podstaw ekspresja genów, nadają tempo. Wydaje się, że te procesy metaboliczne są zasadniczo zorganizowane przez mitochondria, które mogą równie dobrze pełnić podwójną rolę jako strażnik czasu i źródło energii złożonej komórki.

Chociaż badacze byli rozproszeni po całym świecie, nowatorskie prace nad zegarem dobowym przeprowadzono w laboratorium jednego naukowca: biochemika Carrie Partch z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Partch kieruje się wyjątkową obsesją nie tylko na punkcie podstawowych kroków zegara, ale także skomplikowany taniec że białka zegarowe działają w trakcie budowy oraz podczas interakcji i degradacji. Jak każdy zegarmistrz, nie wystarczy jej wiedza o zębatkach i zębatkach — musi także zrozumieć, jak do siebie pasują. Zwracając tak szczególną uwagę na pojedynczy system w trakcie swojej kariery, dokonała odkryć na temat tańca białek zegarowych, które reprezentują szersze prawdy, na przykład, że nieustrukturyzowane lub nawet nieuporządkowane białka mają fundamentalne znaczenie dla procesów biologicznych.

Jedną z oznak postępu w neurobiologii jest to, że staje się ona coraz bardziej precyzyjna. Korzystając z nowych narzędzi, które są mocniej zakorzenione w solidnych podstawach naukowych, naukowcy mogą teraz skupić swoją uwagę na definiowaniu osobliwości poszczególnych komórek mózgowych. W tym roku oni zlokalizował mapę społecznościową nietoperzy, co okazało się nałożone na mapę ich środowiska fizycznego — te same komórki mózgowe w hipokampie kodują wiele rodzajów informacji o środowisku. Wydaje się, że inni badacze rozwiązali trwającą 30 lat debatę na temat tego, czy niektóre komórki glejowe w mózgu – historycznie uważane za coś więcej niż tylko wyściółkę dla bardziej prestiżowych neuronów – mogą stymulować sygnały elektryczne. Zespół neurologów i badaczy klinicznych, z pomocą pacjentów z padaczką, którym wszczepiono elektrody w celu poprawy opieki medycznej, odkrył, że w mózgu różne systemy do reprezentowania małych i dużych liczb. Po raz pierwszy naukowcy zwizualizowali w trzech wymiarach działanie receptora węchowego chwyta cząsteczkę zapachu — znaczący krok w zrozumieniu, w jaki sposób nos i mózg mogą przechwytywać substancje chemiczne unoszące się w powietrzu i zdobywać kluczowe informacje sensoryczne o środowisku.