Крупнейшие открытия в биологии в 2023 году | Журнал Кванта

Революции в биологических науках могут принимать разные формы. Иногда они возникают в результате использования нового инструмента или изобретения радикальной теории, которая внезапно открывает столько новых возможностей для исследований, что это может вызвать головокружение. Иногда они формируются медленно, через медленное накопление исследований, каждое из которых представляет собой годы кропотливой работы, которые в совокупности разрушают преобладающую мудрость и раскрывают более сильную и лучшую интеллектуальную основу. Оба вида революций высвобождают лавины новых идей и открытий, которые улучшают наше понимание того, как устроена жизнь.

В прошлом году недостатка в них не было. Например, исследователи успешно вырастили «модели эмбрионов» — выращенные в лаборатории искусственные эмбрионы, которые созревают, как настоящие, — которые достигли более продвинутой стадии развития, чем когда-либо прежде. Это достижение может в конечном итоге дать ценную новую информацию о том, как растут человеческие зародыши, хотя дебаты об этическом статусе этих моделей также кажутся вероятными. Тем временем в мире нейробиологии исследователи, изучающие депрессию, продолжают отойти от теории это, как правило, определяло большую часть исследований и фармацевтического лечения этого заболевания на протяжении десятилетий.

Но такого рода биологическая революция требует человеческой изобретательности, а исследователи в области наук о жизни приходят к новым открытиям. Революции происходят и в самой биологии — когда эволюция позволяет организмам делать что-то беспрецедентное. Биологи недавно обнаружили еще много примеров такого рода прорывов.

Например, отслеживание времени — это функция, необходимая всем живым существам: от микроорганизмов, ожидающих своего часа до следующего деления клеток, до эмбрионов, у которых растут конечности и органы, до более сложных существ, отслеживающих течение дня и ночи. Группы исследователей, работающие в лабораториях по всему миру, недавно обнаружили, что некоторые ключевые особенности хронометража связан с клеточным метаболизмом — это означает, что органелла под названием митохондрия является одновременно генератором и часами. Другие аспекты хронометража измеряются прогресс молекулярного балета при котором специализированные белки соединяются вместе, прежде чем снова разделиться.

Исследователи также надеются вскоре сделать важные открытия теперь, когда они смогут культивировать некоторые из примитивных, давно утраченных клеток, называемых Асгардские археи. Миллиард лет назад археи Асгарда (или очень похожие на них клетки) предприняли возмутительный шаг, сформировав постоянные партнерские отношения с предками митохондрий, породив тем самым первые сложные клетки. Тайны того, как и почему произошел этот биологический прорыв, возможно, скрываются в этих экзотических клеточных культурах. Тем временем другие исследователи внимательно изучают микробы «песчаной корки» которые живут в печально известной засушливой пустыне Атакама в Чили, чтобы понять, как выжили первые наземные клетки.

В 2023 году было обнаружено достаточно чудесных биологических инноваций, чтобы образовать настоящий парад: планктон, усилили свои фотосинтетические способности перепрофилировав одну из своих мембран, и подземные микробы, которые научились производить кислород в полной темноте. иммунологический трюк который защищает младенцев в утробе матери, и неврологический трюк это позволяет мозгу отображать социальные отношения, как физические ландшафты. Простая мутация, превратившая муравьев в сложные социальные паразиты практически за ночь, и стратегическое разрушение ДНК которые черви используют для защиты своих геномов.

Quanta записали все это и многое другое в этом году, и по мере того, как в предстоящие годы будут появляться новые прорывы в фундаментальной биологии, мы тоже будем рядом с ними.

Точно так же, как учёные-физики строят простые модельные системы как ступеньки к пониманию более сложных явлений, некоторые биологи предпочитают изучать, как устроена жизнь, создавая более простые версии. В этом году они добились прогресса на двух фронтах: в больших масштабах — в создании «моделей эмбрионов» и в малых — в изучении минимально возможной клетки.

Модели эмбрионов, или синтетические эмбрионы, представляют собой лабораторные продукты стволовых клеток, которые можно заставить расти на ранних стадиях развития, хотя они самоуничтожаются, прежде чем воспроизвести полный процесс эмбрионального развития. Они были разработаны как потенциальные инструменты этического экспериментального изучения человеческого развития. В этом году исследовательские группы в Израиле и Великобритании показали, что они могут модели эмбрионов для выращивания вплоть до (и, возможно, даже за пределами) стадии, на которой юридически разрешены исследования живых человеческих эмбрионов. Исследователи в Китае даже на короткое время инициировали беременность у обезьян с моделями эмбрионов. Эти успехи считаются крупным прорывом в технологии, которая могла бы помочь ученым ответить на важные вопросы о пренатальном развитии, и в конечном итоге они могут окупиться в предотвращении выкидышей и врожденных дефектов. В то же время эксперименты вновь пробудили этические аргументы в отношении этого направления исследований, учитывая, что по мере того, как модели эмбрионов становятся более продвинутыми в развитии, они также могут начать казаться более заслуживающими защиты.

Синтетическая жизнь не всегда этически спорна. В этом году исследователи протестировали пределы «минимальных» ячеек, простые организмы, полученные из бактерий, геном которых был раздет до костей. У этих минимальных клеток есть инструменты для размножения, но все гены, которые в противном случае не являются необходимыми, были удалены. В ходе важного подтверждения того, насколько естественными являются минимальные клетки, исследователи обнаружили, что этот минимальный геном способен развиваться и адаптироваться. После 300 дней роста и естественного отбора в лаборатории минимальные клетки смогли успешно конкурировать с предковыми бактериями, от которых они произошли. Результаты продемонстрировали надежность правил жизни: даже после лишения почти всех генетических ресурсов минимальные клетки могут использовать инструменты естественного отбора для восстановления в более успешные формы жизни.

Сознание — это ощущение бытия, осознание наличия уникального «я», картины реальности и места в мире. Это долгое время было предметом изучения философов, но в последнее время ученые добились (своего рода) прогресса в понимании ее нейробиологической основы.

В интервью на Радость почему В подкасте, выпущенном в мае, исследователь нейробиологии Анил Сет из Университета Сассекса описал сознание как своего рода «контролируемая галлюцинация,в том, что наш опыт реальности возникает изнутри нас. Никто из нас не может напрямую знать, как устроен мир; действительно, каждый организм (и человек) воспринимает мир по-разному. Наше чувство реальности формируется сенсорной информацией, которую мы воспринимаем, и тем, как наш мозг организует ее и конструирует в нашем сознании. В этом смысле весь наш опыт — это галлюцинация, но это контролируемая галлюцинация, наиболее вероятное описание мозга ближайшего окружения и более крупного мира, основанное на его воспоминаниях и другой закодированной информации.

Наш разум постоянно воспринимает новую внешнюю информацию, а также создает свои собственные внутренние образы и повествования. Как отличить реальность от фантазии? В этом году исследователи обнаружили, что мозг имеет «порог реальности», по которому он постоянно оценивает обработанные сигналы. Большинство наших мысленных образов имеют довольно слабый сигнал, и поэтому наш порог реальности легко отправляет их в кучу «поддельных». Но иногда наше восприятие и воображение могут смешиваться, и если эти образы достаточно сильны, мы можем запутаться, потенциально приняв наши галлюцинации за реальную жизнь.

Как сознание возникает в уме? Это больше связано с мышлением или является продуктом чувственного опыта? В этом году результаты громкое враждебное сотрудничество которые противопоставили друг другу две основные теории сознания. В течение пяти лет две группы исследователей — одна представляла глобальную теорию нейронного рабочего пространства, которая фокусируется на познании, а другая представляла интегрированную теорию информации, которая фокусируется на восприятии — совместно создавали, а затем проводили эксперименты, направленные на проверку предсказаний этой теории. были более точными. Результаты, возможно, разочаровали всех, кто надеялся получить однозначные ответы. На сцене в Нью-Йорке, на 26-м заседании Ассоциации научных исследований сознания, исследователи признали, что эксперименты бросили вызов обеим теориям, и выявили различия между ними, но отказались объявить какую-либо из теорий победителем. Тем не менее, вечер не был полностью неудовлетворительным: нейробиолог Кристоф Кох из Алленовского института науки о мозге признал 25-летний спор с философом Дэвидом Чалмерсом из Нью-Йоркского университета о том, что нейронные корреляты сознания уже были бы идентифицированы. .

Часто считается само собой разумеющимся, что депрессия вызвана химическим дисбалансом в мозге: в частности, хроническим дефицитом серотонина, нейромедиатора, передающего сообщения между нервными клетками. Тем не менее, несмотря на то, что миллионы людей с депрессией во всем мире получают облегчение от приема Прозака и других препаратов, известных как селективные ингибиторы обратного захвата серотонина или СИОЗС, основанные на этой теории, десятилетия нейропсихиатрических исследований не смогли подтвердить предположения этой модели. Шум научных разногласий становится все громче: международная группа ученых просмотрела более 350 статей и не нашел убедительных доказательств что более низкие уровни серотонина связаны с депрессией.

Осознание того, что причиной может быть не дефицит серотонина, заставляет исследователей фундаментально переосмыслить, что такое депрессия. Вполне возможно, что СИОЗС облегчают некоторые симптомы депрессии, изменяя другие химические вещества или процессы в мозге, которые являются более прямыми причинами депрессии. Также возможно, что то, что мы называем «депрессией», включает в себя множество расстройств, которые проявляются схожим набором симптомов, включая усталость, апатию, изменения аппетита, суицидальные мысли и проблемы со сном. Если это так, потребуются значительные дополнительные исследования, чтобы раскрыть эту сложность — дифференцировать виды и причины депрессии и разработать более эффективные методы лечения.

Депрессия может быть изолирующим опытом. Но оно отличается от одиночества — эмоционального состояния, которое нейробиологи в последние годы лучше определили. Одиночество — это не то же самое, что социальная изоляция, которая является объективной мерой количества отношений, в которых находится человек: кто-то может состоять во многих отношениях и при этом оставаться одиноким. И это не социальная тревога, которая представляет собой страх перед отношениями или определенным опытом отношений.

Вместо этого растущее число нейробиологических исследований предполагает, что одиночество - это предвзятость ума к интерпретации социальной информации в негативном и самонаказывающем ключе. Это как если бы сигнал выживания, который развился, чтобы побудить нас восстановить связь с людьми, на которых мы полагаемся, замкнулся, создав самовоспроизводящуюся петлю чувствуемой изоляции. Ученые еще не нашли лекарство от одиночества, но, возможно, простое понимание этой негативной петли может помочь хронически одиноким людям вырваться из этого цикла и найти утешение в существующих или новых связях.

Откуда мы пришли и как мы сюда попали? На эти вечные вопросы можно ответить разными способами, и они побудили многочисленных биологов заняться поиском происхождения эукариотов — линии жизни, возраст которой составляет 2 миллиарда лет и которая включает в себя всех животных, растения и грибы, а также множество одноклеточных организмов. существа более сложные, чем бактерии.

В поисках первого эукариота исследователи кропотливо добывают редкие микробы из ила морского дна. Недавно, после шести лет работы, европейская лаборатория стала лишь второй, успешно культивировать одну из архей Асгарда— группа примитивных одноклеточных организмов, геномы которых поразительно похожи на геномы эукариот и которые считаются их предками. Ученые надеются, что непосредственное изучение клеток в лаборатории откроет новую информацию о том, как развивались эукариоты, и приблизит нас к пониманию нашего происхождения.

Эволюционное путешествие первого эукариота окутано тайной. В этом году учёные нашли способ заполнить пробел в 800 миллионов лет в молекулярной летописи окаменелостей между появлением самого раннего эукариота и появлением самого недавнего предка всех ныне живущих эукариот. Раньше, когда ученые искали информацию об эукариотах, которые жили в пустом пространстве примерно от 800 миллионов до 1.6 миллиардов лет назад, они не могли найти молекулярные окаменелости, которые они ожидали. Но когда австралийская группа настроила свой поисковый фильтр для поиска окаменелых версий более примитивных молекул, они обнаружили их в изобилии. Результаты показали то, что авторы называют «затерянным миром» эукариот, который помогает рассказать историю ранней эволюционной истории наших древних предков.

Исследования, проведенные за последнее десятилетие, лучше охарактеризовали микробиом — совокупность микроорганизмов, живущих в нашем кишечнике и других частях нашего тела, — и то тонкое влияние, которым он влияет на наше здоровье. В этом году ученые максимально подробно раскрыли, откуда берутся наши микробиомы и как они развиваются на протяжении всей нашей жизни.

Неудивительно, что первые семена нашего микробиома обычно поступают от мамы и передаются во время родов, а также при грудном вскармливании. Исследование, опубликованное в этом году, показало, что материнский вклад вносят не только целые микробные организмы, но и небольшие фрагменты ДНК называемые мобильными генетическими элементами. В течение первого года жизни эти мобильные генетические элементы переходят от бактерий матери к бактериям ребенка посредством процесса, называемого горизонтальным переносом генов. Это открытие удивило исследователей, которые не ожидали, что высокая степень коэволюции между микробиомом матери и ребенка будет продолжаться так долго после рождения.

Это не конец истории: микробиом развивается на протяжении всей нашей жизни. Крупнейший анализ передачи микробиома человека, также опубликованный в этом году, показал, как микробиомы перемешиваются и собираются заново на протяжении многих десятилетий. Это предоставило четкие доказательства того, что микроорганизмы микробиома распространяются между людьми, особенно теми, с кем мы проводим больше всего времени, например, членами семьи, партнерами и соседями по комнате. Исследование выявило интригующую возможность того, что некоторые болезни, считающиеся неинфекционными, на самом деле могут передаваться, иногда скрытыми путями, через кишечную флору.

За тысячелетия до изобретения солнечных и атомных часов организмы развили биологические инструменты для измерения времени. Им нужны внутренние циркадные часы, которые могут синхронизировать их метаболические процессы с циклом дня и ночи, а также часы, похожие на календари, чтобы следить за процессами их развития. В этом году исследователи добились важных успехов в понимании обоих.

Шквал исследований за последние несколько лет, ставший возможным благодаря новым технологиям стволовых клеток, предложил новые объяснения для так называемого темпа развития. Все позвоночные начинают жизнь как простой эмбрион, но скорость развития эмбриона и время созревания его тканей резко различаются между видами и определяют их окончательную форму. Что контролирует ход часов развития? В этом году серия тщательных экспериментов в лабораториях по всему миру, посвященных различным видам и системам, указала на общее объяснение: фундаментальные метаболические процессы, включая биохимические реакции и лежащую в их основе экспрессию генов, задают темп. Эти метаболические процессы, по-видимому, организованы в основном митохондриями, которые вполне могут выполнять двойную роль: хронометриста и источника энергии сложной клетки.

Хотя эти исследователи были разбросаны по всему миру, новая работа по циркадным часам была проведена в лаборатории одного ученого: биохимика Кэрри Партч из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Партчем движет уникальная одержимость не только основными шагами часов, но и сложный танец что часовые белки работают по мере их создания, взаимодействия и разрушения. Как и любому часовщику, ей недостаточно знать, что такое шестерни и винтики — ей также необходимо понять, как они сочетаются друг с другом. Уделяя столь пристальное внимание одной системе на протяжении своей карьеры, она сделала открытия о танце часовых белков, которые отражают более широкие истины, например, что неструктурированные или даже неупорядоченные белки имеют фундаментальное значение для биологических процессов.

Одним из признаков прогресса нейробиологии является то, что она становится все более точной. Используя новые инструменты, более прочно основанные на научных знаниях, ученые теперь могут сосредоточить свое внимание на определении особенностей отдельных клеток мозга. В этом году они нашел социальную карту летучих мышей, которые оказались наложены на карту их физического окружения — одни и те же клетки мозга в гиппокампе кодируют множество видов информации об окружающей среде. Другие исследователи, похоже, разрешили 30-летнюю дискуссию о том, могут ли некоторые глиальные клетки мозга, которые исторически считались не чем иным, как подкладкой для более престижных нейронов, стимулировать электрические сигналы. Команда нейробиологов и клинических исследователей, которым помогли пациенты с эпилепсией, которым были имплантированы электроды для улучшения медицинского обслуживания, обнаружила, что мозг разные системы для представления малых и больших чисел. И впервые исследователи визуализировали в трех измерениях, как обонятельный рецептор захватывает молекулу запаха — значительный шаг в понимании того, как нос и мозг могут перехватывать переносимые по воздуху химические вещества и получать важную сенсорную информацию об окружающей среде.