Cele mai mari descoperiri în biologie în 2023 | Revista Quanta

Revoluțiile din științele biologice pot lua multe forme. Uneori, ele izbucnesc din utilizarea unui instrument nou sau din inventarea unei teorii radicale care deschide brusc atât de multe căi noi pentru cercetare, încât poate fi amețitor. Uneori, ele prind contur lent, prin acumularea lentă de studii, fiecare reprezentând ani de muncă minuțioasă, care, colectiv, scad înțelepciunea predominantă și dezvăluie un cadru intelectual mai puternic și mai bun. Ambele tipuri de revoluție declanșează avalanșe de idei și perspective noi care ne îmbunătățesc înțelegerea modului în care funcționează viața.

În ultimul an nu au lipsit acestea. De exemplu, cercetătorii a crescut cu succes „modele de embrioni” — embrioni artificiali crescuți în laborator care se maturizează ca cei adevărați — care au atins un stadiu de dezvoltare mai avansat decât oricând. Această realizare ar putea aduce în cele din urmă noi perspective valoroase asupra modului în care cresc fetușii umani, deși dezbaterea despre statutul etic al acelor modele pare de asemenea probabilă. Între timp, în lumea neuroștiinței, cercetătorii care studiază depresia au continuat să o facă îndepărtați-vă de teorie care a ghidat, în general, o mare parte din cercetarea și tratamentul farmaceutic al acestei boli de zeci de ani.

Dar aceste tipuri de revoluții biologice implică ingeniozitatea umană, cercetătorii din științele vieții ajungând la noi realizări. Revoluțiile apar și în biologia însăși - atunci când evoluția a permis organismelor să facă ceva fără precedent. Biologii au descoperit recent mult mai multe cazuri ale acestui tip de descoperire.

Urmărirea timpului, de exemplu, este o funcție esențială pentru toate ființele vii, de la microorganisme care își așteaptă timpul până la următoarea diviziune celulară până la embrioni care cresc membre și organe, până la creaturi mai complexe care urmăresc trecerea zilei și a nopții. Echipe de cercetători care se află în laboratoare din întreaga lume au descoperit recent că unele caracteristici cheie ale cronometrarii sunt legat de metabolismul celular — ceea ce înseamnă că organela numită mitocondrie este atât un generator, cât și un ceas. Alte aspecte ale cronometrului sunt măsurate de progresul unui balet molecular în care proteinele specializate piruetă împreună înainte de a se separa din nou.

De asemenea, cercetătorii speră să facă în curând descoperiri importante acum că pot cultiva unele dintre celulele primitive, pierdute de mult timp, numite Asgard archaea. Acum un miliard de ani, arheele Asgard (sau celulele asemănătoare lor) au făcut pasul scandalos de a forma parteneriate permanente cu strămoșii mitocondriilor, dând astfel naștere primelor celule complexe. Secretele despre cum și de ce s-a întâmplat acea descoperire biologică pot fi pândite în acele culturi de celule exotice. Între timp, alți cercetători examinează microbii „crusta de nisip”. care trăiesc în deșertul arid Atacama din Chile pentru indicii despre modul în care au supraviețuit primele celule de pe uscat.

În 2023 au fost descoperite suficiente inovații biologice minunate pentru a forma o adevărată paradă: planctonul care și-au supraalimentat abilitățile fotosintetice prin reutilizarea uneia dintre membranele lor și microbii subterani care au învățat produce oxigen în întuneric total. O truc imunologic care protejează bebelușii în uter și a truc neurologic care lasă creierului să elaboreze relațiile sociale precum peisajele fizice. O simplă mutație care a transformat furnicile în paraziți sociali complexi practic peste noapte și a demolarea strategică a DNA pe care le folosesc viermii pentru a-și proteja genomul.

Cuante am cronicizat toate acestea și multe altele în acest an și, pe măsură ce noi descoperiri în biologia fundamentală vor ieși la lumină în anii următori, vom fi și noi acolo pentru ei.

În același mod în care oamenii de știință fizică construiesc sisteme de modele simple ca trepte pentru înțelegerea fenomenelor mai complexe, unii biologi preferă să învețe cum funcționează viața creând versiuni mai simple. Anul acesta au făcut progrese pe două fronturi: la scară mare, în crearea „modelelor de embrioni”, și la scară mică, în studierea celei mai minime celule posibile.

Modelele de embrioni, sau embrionii sintetici, sunt produse de laborator ale celulelor stem care pot fi induse să crească fidel în primele etape de dezvoltare, deși se autotermină înainte de a reactiva întregul proces de dezvoltare embrionară. Ele au fost concepute ca instrumente potențiale pentru studiul experimental etic al dezvoltării umane. Anul acesta, grupurile de cercetare din Israel și Regatul Unit au arătat că ar putea hrănește modele de embrioni până la (și posibil dincolo) stadiul în care cercetarea asupra embrionilor umani vii este permisă legal. Cercetătorii din China au inițiat chiar și pentru scurt timp sarcini la maimuțe cu modele de embrioni. Aceste succese sunt considerate descoperiri majore pentru o tehnică care ar putea ajuta oamenii de știință să răspundă la întrebări importante despre dezvoltarea prenatală și, în cele din urmă, ar putea aduce roade în prevenirea avorturilor spontane și a malformațiilor congenitale. În același timp, experimentele au trezit din nou argumente etice cu privire la această linie de cercetare, având în vedere că, pe măsură ce modelele de embrioni devin mai avansate din punct de vedere al dezvoltării, pot începe să pară și mai demne intrinsec de protecție.

Viața sintetică nu este întotdeauna controversată din punct de vedere etic. Anul acesta, cercetătorii a testat limitele celulelor „minimale”., organisme simple derivate din bacterii care au fost îndepărtate până la oasele lor genomice goale. Aceste celule minime au instrumentele pentru a se reproduce, dar orice gene care nu sunt esențiale altfel au fost eliminate. Într-o validare importantă a modului în care celulele minime sunt naturale, cercetătorii au descoperit că acest genom minimal a fost capabil să evolueze și să se adapteze. După 300 de zile de creștere și selecție naturală în laborator, celulele minime au putut concura cu succes împotriva bacteriilor ancestrale din care au fost derivate. Descoperirile au demonstrat robustețea regulilor de viață - că, chiar și după ce au fost jefuite de aproape toate resursele genetice, celulele minime ar putea folosi instrumentele selecției naturale pentru a se recupera în forme de viață mai de succes.

Conștiința este sentimentul de a fi - conștientizarea de a avea un sine unic, o imagine a realității și un loc în lume. A fost mult timp terenul filozofilor, dar recent oamenii de știință au făcut progrese (un fel) în înțelegerea bazei sale neurobiologice.

Într-un interviu pe Bucuria de ce podcast lansat în mai, cercetătorul în neuroștiință Anil Seth de la Universitatea Sussex a descris conștiința ca un fel de „halucinații controlate,” prin aceea că experiența noastră a realității iese din interiorul nostru. Niciunul dintre noi nu poate ști direct cum este lumea; într-adevăr, fiecare organism (și individ) experimentează lumea în mod diferit. Simțul nostru al realității este modelat de informațiile senzoriale pe care le primim și de modul în care creierul nostru o organizează și o construiește în conștiința noastră. În acest sens, întreaga noastră experiență este o halucinație - dar este o halucinație controlată, cea mai bună descriere a creierului a mediului imediat și a lumii mai mari, bazată pe amintirile sale și alte informații codificate.

Mintea noastră primește în mod constant noi informații externe și, de asemenea, își creează propriile imagini și narațiuni interne. Cum putem distinge realitatea de fantezie? Anul acesta, cercetătorii au descoperit că creierul are o „pragul de realitate” față de care evaluează constant semnalele procesate. Majoritatea imaginilor noastre mentale au un semnal destul de slab, astfel încât pragul nostru de realitate le trimite cu ușurință în grămada „falsă”. Dar, uneori, percepțiile și imaginația noastră se pot amesteca, iar dacă acele imagini sunt suficient de puternice, putem deveni confuzi – potențial confundând halucinațiile noastre cu viața reală.

Cum apare conștiința în minte? Este mai mult despre gândire sau este un produs al experiențelor senzoriale? Anul acesta, rezultatele a colaborare contradictorie de profil înalt care puneau două teorii majore ale conștiinței una împotriva celeilalte au fost anunțate. Pe parcursul a cinci ani, două echipe de cercetători – una reprezentând teoria spațiului de lucru neuronal global, care se concentrează pe cunoaștere, iar cealaltă reprezentând teoria informației integrate, care se concentrează pe percepție – au co-creat și apoi au condus experimente menite să testeze predicțiile care teorie au fost mai precise. Este posibil ca rezultatele să fi fost o dezamăgire pentru oricine spera în răspunsuri definitive. Pe scena din New York City, la cea de-a 26-a întâlnire a Asociației pentru Studiul Științific al Conștiinței, cercetătorii au recunoscut modalitățile în care experimentele au contestat ambele teorii și au evidențiat diferențele dintre ele, dar au refuzat să declare câștigătoarea fiecărei teorii. Cu toate acestea, seara nu a fost complet nesatisfăcătoare: neurologul Christof Koch de la Institutul Allen pentru Știința Creierului a acceptat un pariu de 25 de ani cu filozoful David Chalmers de la Universitatea din New York că corelațiile neuronale ale conștiinței ar fi fost identificate până acum. .

Este adesea considerat de la sine înțeles că depresia este cauzată de un dezechilibru chimic în creier: în special, o deficiență cronică de serotonină, un neurotransmițător care transmite mesaje între celulele nervoase. Cu toate acestea, chiar dacă milioane de oameni depresivi din întreaga lume se ușurează de la administrarea Prozac și a altor medicamente cunoscute sub numele de inhibitori selectivi ai recaptării serotoninei sau ISRS, pe baza acestei teorii, cercetările neuropsihiatrice de zeci de ani nu au reușit să valideze ipotezele acestui model. Zumzetul disidenței științifice a devenit din ce în ce mai puternic: o echipă internațională de oameni de știință a examinat peste 350 de lucrări și nu a găsit nicio dovadă convingătoare că nivelurile mai scăzute de serotonină sunt asociate cu depresia.

Conștientizarea că deficitul de serotonină poate să nu fie cauza îi obligă pe cercetători să regândească fundamental ce este depresia. Este posibil ca ISRS să atenueze unele simptome ale depresiei prin modificarea altor substanțe chimice sau procese din creier care sunt cauze mai directe ale depresiei. Este, de asemenea, posibil ca ceea ce numim „depresie” să cuprindă o varietate de tulburări care se manifestă cu un set similar de simptome, inclusiv oboseală, apatie, modificări ale apetitului, gânduri de sinucidere și probleme de somn. Dacă acesta este cazul, vor fi necesare cercetări suplimentare semnificative pentru a depăși această complexitate - pentru a diferenția tipurile și cauzele depresiei și pentru a dezvolta tratamente mai bune.

Depresia poate fi o experiență izolatoare. Dar este diferită de singurătate, o condiție emoțională pe care neurologii au definit-o mai bine în ultimii ani. Singurătatea nu este același lucru cu izolarea socială, care este o măsură obiectivă a numărului de relații în care se află o persoană: cineva poate fi în multe relații și totuși poate fi singur. Nu este nici anxietatea socială, care este o frică de relații sau de anumite experiențe relaționale.

În schimb, un număr tot mai mare de cercetări neurobiologice sugerează acest lucru singurătatea este o părtinire în minte spre interpretarea informațiilor sociale într-un mod negativ, auto-pedepsitor. Este ca și cum un semnal de supraviețuire care a evoluat pentru a ne îndemna să ne reconectăm cu oamenii pe care ne bazăm s-a scurtcircuitat, creând o buclă de auto-perpetuare de izolare simțită. Oamenii de știință nu au găsit încă un tratament medical pentru singurătate, dar poate că pur și simplu înțelegerea acestei bucle negative îi poate ajuta pe cei singuratici cronici să scape din ciclu și să găsească confort în conexiunile existente sau în altele noi.

De unde venim și cum am ajuns aici? Aceste întrebări atemporale ar putea primi răspunsuri în multe feluri și i-au pus pe numeroși biologi să caute originile eucariotelor - descendența vieții veche de 2 miliarde de ani care include toate animalele, plantele și ciupercile și multe unicelulare. creaturi mai complexe decât bacteriile.

Căutarea primei eucariote îi face pe cercetători să convingă cu minuțiozitate microbii rari din nămolul de pe fundul mării. Recent, după șase ani de muncă, un laborator european a devenit doar al doilea cu succes cultiva una dintre arheile Asgard— un grup de organisme primitive unicelulare care au genomi cu asemănări care ridică sprâncenele cu cele ale eucariotelor și despre care se crede că sunt ancestrale acestora. Oamenii de știință speră că studierea directă a celulelor în laborator va dezvălui noi informații despre modul în care au evoluat eucariotele și ne va apropia mai mult de înțelegerea originilor noastre.

Călătoria evolutivă a primei eucariote este învăluită în mister. Anul acesta, oamenii de știință au găsit o modalitate de a umple un gol de 800 de milioane de ani în înregistrarea fosilelor moleculare dintre apariția celei mai vechi eucariote și cea a celui mai recent strămoș al tuturor eucariotelor în viață astăzi. Anterior, când căutau informații despre eucariotele care au trăit în spațiul gol de la aproximativ 800 de milioane până la 1.6 miliarde de ani în urmă, oamenii de știință nu au putut găsi fosilele moleculare la care se așteptau. Dar când o echipă australiană și-a ajustat filtrul de căutare pentru a căuta versiuni fosilizate ale unor molecule mai primitive, le-a găsit din abundență. Descoperirile au dezvăluit ceea ce autorii numesc „o lume pierdută” a eucariotelor, care ajută la povestea istoriei evolutive timpurii a strămoșilor noștri antici.

Cercetările din ultimul deceniu au caracterizat mai bine microbiomul – colecția de microorganisme care trăiesc în intestinele noastre și în alte părți ale corpului nostru – și modurile subtile în care ne influențează sănătatea. Anul acesta, oamenii de știință au dezvăluit în cel mai mare detaliu de unde provin microbiomii noștri și cum evoluează de-a lungul vieții noastre.

Deloc surprinzător, primele semințe ale microbiomului nostru provin de obicei de la mamă – transmise în timpul nașterii și, de asemenea, prin alăptare. Cercetările publicate anul acesta au descoperit că contribuțiile unei mame nu sunt doar organisme microbiene întregi, ci și mici fragmente de ADN numite elemente genetice mobile. Până în primul an de viață, aceste elemente genetice mobile trec de la bacteria mamei la cea a copilului printr-un proces numit transfer genic orizontal. Descoperirea i-a surprins pe cercetători, care nu se așteptau ca gradul ridicat de coevoluție dintre microbiomul mamei și cel al copilului să dureze atât de mult după naștere.

Acesta nu este sfârșitul poveștii: microbiomul evoluează de-a lungul vieții noastre. Cea mai mare analiză de până acum a transmiterii microbiomului uman, publicată tot anul acesta, a dezvăluit cum microbiomele se amestecă și se reasambla de-a lungul multor decenii. Acesta a oferit dovezi clare că organismele microbiome se răspândesc între oameni, în special cei cu care petrecem cel mai mult timp, cum ar fi membrii familiei, partenerii și colegii de cameră. Iar studiul a ridicat posibilitatea intrigantă ca unele boli considerate netransmisibile să fie de fapt transmisibile, în moduri uneori subtile, prin flora intestinală.

Cu eoni înainte de inventarea cadranelor solare, a ceasurilor și a ceasurilor atomice, organismele au dezvoltat instrumente biologice pentru a păstra timpul. Au nevoie de ceasuri circadiene interne care să-și mențină procesele metabolice sincronizate cu ciclul zilei și al nopții și, de asemenea, ceasuri asemănătoare calendarelor pentru a-și menține procesele de dezvoltare pe drumul cel bun. În acest an, cercetătorii au făcut progrese importante în înțelegerea ambelor.

Un val de cercetări în ultimii câțiva ani, posibil de noile tehnologii de celule stem, a avut a oferit noi explicații pentru ceea ce este cunoscut sub numele de tempo de dezvoltare. Toate vertebratele încep viața ca un simplu embrion - dar ritmul cu care se dezvoltă un embrion și momentul în care țesuturile sale se maturizează variază dramatic între specii și determină forma lor finală. Ce controlează ticăitul ceasului de dezvoltare? Anul acesta, o serie de experimente atente în laboratoare din întreaga lume, concentrându-se pe diferite specii și sisteme, au indicat o explicație comună: procesele metabolice fundamentale, inclusiv reacțiile biochimice și expresia genelor care le stau la baza, toate stabilesc ritmul. Aceste procese metabolice par a fi organizate fundamental de mitocondrii, care pot servi foarte bine roluri duble ca cronometru și sursă de energie a celulei complexe.

În timp ce acești cercetători au fost împrăștiați în întreaga lume, lucrări noi asupra ceasului circadian au fost realizate în laboratorul unui singur om de știință: biochimistul Carrie Partch de la Universitatea din California, Santa Cruz. Partch este condus de o obsesie unică nu numai pentru pașii de bază ai ceasului, ci și pentru dansul complicat că proteinele de ceas funcționează pe măsură ce sunt construite și pe măsură ce interacționează și se degradează. Ca orice ceasornicar, ea nu este mulțumită să știe ce sunt angrenajele și roțile dințate - trebuie să înțeleagă și cum se potrivesc. Acordând o atenție atât de mare unui singur sistem de-a lungul carierei sale, ea a făcut descoperiri despre dansul proteinelor ceasului care reprezintă adevăruri mai largi, de exemplu că proteinele nestructurate sau chiar dezordonate sunt fundamentale pentru procesele biologice.

Un semn al progresului în neuroștiință este că aceasta devine din ce în ce mai precisă. Folosind instrumente noi, care sunt mai ferm bazate pe știința solidă, oamenii de știință își pot concentra acum atenția asupra definirii neobișnuitelor celulelor creierului individuale. Anul acesta ei localizat harta socială de lilieci, care s-au dovedit a fi suprapuse pe harta liliecilor a mediului lor fizic - exact aceleași celule cerebrale din hipocamp codifică mai multe tipuri de informații de mediu. Alți cercetători par să fi rezolvat o dezbatere de 30 de ani asupra faptului dacă unele dintre celulele gliale ale creierului - considerate istoric abia mai mult decât umplutură pentru neuronii mai prestigioși - pot stimulează semnalele electrice. O echipă de neurologi și cercetători clinici, ajutați de pacienții cu epilepsie cărora li s-au implantat electrozi pentru a-și îmbunătăți îngrijirea medicală, a descoperit că creierul are sisteme diferite pentru reprezentarea numerelor mici și mari. Și pentru prima dată, cercetătorii au vizualizat în trei dimensiuni modul în care un receptor olfactiv se apucă de o moleculă de miros — un pas semnificativ în înțelegerea modului în care nasul și creierul pot intercepta substanțele chimice din aer și pot obține informații senzoriale esențiale despre mediu.