Največja odkritja v biologiji leta 2023 | Revija Quanta

Revolucije v bioloških znanostih imajo lahko različne oblike. Včasih izbruhnejo zaradi uporabe novega orodja ali izuma radikalne teorije, ki nenadoma odpre toliko novih poti za raziskovanje, da se lahko počuti vrtoglavo. Včasih se oblikujejo počasi, s počasnim kopičenjem študij, od katerih vsaka predstavlja leta mukotrpnega dela, ki skupaj odkrušijo prevladujočo modrost in razkrijejo močnejši, boljši intelektualni okvir. Obe vrsti revolucij sprožita plaz novih idej in spoznanj, ki izboljšajo naše razumevanje delovanja življenja.

Teh v zadnjem letu ni manjkalo. Na primer raziskovalci uspešno vzgojil "modele zarodkov" — v laboratoriju vzgojeni umetni zarodki, ki zorijo kot pravi — ki so dosegli naprednejšo razvojno stopnjo kot kdaj koli prej. Ta dosežek bi lahko sčasoma prinesel dragocene nove vpoglede v to, kako rastejo človeški plodovi, čeprav se zdi verjetna tudi razprava o etičnem statusu teh modelov. Medtem so v svetu nevroznanosti raziskovalci, ki preučujejo depresijo, nadaljevali odmakniti se od teorije ki je na splošno vodilo velik del raziskav in farmacevtskega zdravljenja te bolezni desetletja.

Toda te vrste biološke revolucije vključujejo človeško iznajdljivost, pri čemer raziskovalci na področju znanosti o življenju prihajajo do novih spoznanj. Revolucije se dogajajo tudi v sami biologiji — ko je evolucija organizmom omogočila nekaj brez primere. Biologi so nedavno odkrili veliko več primerov tovrstnega preboja.

Sledenje času je na primer funkcija, ki je bistvenega pomena za vsa živa bitja, od mikroorganizmov, ki čakajo svoj čas do naslednje celične delitve, do zarodkov, ki jim rastejo okončine in organi, do bolj zapletenih bitji, ki sledijo prehodu dneva in noči. Skupine raziskovalcev, ki delajo v laboratorijih po vsem svetu, so nedavno odkrile, da so nekatere ključne značilnosti merjenja časa povezana s celičnim metabolizmom — kar pomeni, da je organel, imenovan mitohondrij, hkrati generator in ura. Druge vidike merjenja časa meri napredek molekularnega baleta v katerih specializirani proteini piruetajo skupaj, preden se ponovno ločijo.

Raziskovalci tudi upajo, da bodo kmalu prišli do pomembnih odkritij zdaj, ko bodo lahko vzgojili nekaj primitivnih, davno izgubljenih celic, imenovanih Asgardska arheja. Pred milijardo let so asgardske arheje (ali njim podobne celice) naredile nezaslišan korak oblikovanja trajnih partnerstev s predniki mitohondrijev in tako rodile prve kompleksne celice. Skrivnosti o tem, kako in zakaj se je zgodil ta biološki preboj, se morda skrivajo v teh eksotičnih celičnih kulturah. Medtem drugi raziskovalci natančno preučujejo mikrobov "peskaste skorje". ki živijo v zloglasni sušni puščavi Atacama v Čilu, da bi našli namige o tem, kako so prve kopenske celice preživele.

Leta 2023 so odkrili dovolj čudovitih bioloških inovacij, da so tvorile pravo parado: plankton, ki povečali svoje fotosintetske sposobnosti s preureditvijo ene od njihovih membran in podzemnimi mikrobi, ki so se tega naučili proizvajajo kisik v popolni temi. imunološki trik ki ščiti dojenčke v maternici in a nevrološki trik ki možganom omogoča preslikavo družbenih odnosov, kot so fizične pokrajine. Preprosta mutacija, ki je mravlje spremenila v zapleteni družbeni paraziti tako rekoč čez noč in a strateško rušenje DNK ki jih črvi uporabljajo za zaščito svojih genomov.

Quanta letos zapisal vse te in še več, in ko bodo v prihodnjih letih na dan prišli novi preboji v temeljni biologiji, jim bomo tudi mi tam.

Na enak način, kot fizikalni znanstveniki gradijo preproste sisteme modelov kot odskočne deske za razumevanje kompleksnejših pojavov, se nekateri biologi raje učijo, kako življenje deluje, tako da ustvarijo enostavnejše različice. Letos so napredovali na dveh frontah: v velikem obsegu, pri ustvarjanju »modelov zarodkov«, in v majhnem obsegu, pri proučevanju čim manjše celice.

Modeli zarodkov ali sintetični zarodki so laboratorijski produkti matičnih celic, ki jih je mogoče spodbuditi k zvesti rasti v zgodnjih fazah razvoja, čeprav se sami prekinejo, preden se ponovno izvede celoten razvojni proces zarodka. Zasnovali so jih kot možna orodja za etično eksperimentalno študijo človeškega razvoja. Letos sta raziskovalni skupini v Izraelu in Združenem kraljestvu pokazali, da lahko negovati modele zarodkov vse do (in morda še čez) stopnje, na kateri so zakonsko dovoljene raziskave na živih človeških zarodkih. Raziskovalci na Kitajskem so celo za kratek čas sprožili nosečnost pri opicah z modeli zarodkov. Ti uspehi veljajo za velike preboje za tehniko, ki bi znanstvenikom lahko pomagala odgovoriti na pomembna vprašanja o prenatalnem razvoju, in bi se lahko sčasoma izplačala pri preprečevanju spontanih splavov in prirojenih napak. Hkrati so poskusi znova prebudili etične argumente o tej smeri raziskovanja, glede na to, da ko modeli zarodkov postanejo razvojno naprednejši, se lahko tudi zdi, da si bolj intrinzično zaslužijo zaščito.

Sintetično življenje ni vedno etično sporno. Letos raziskovalci testirali meje "minimalnih" celic, preprosti organizmi, pridobljeni iz bakterij, ki so bile ogoljene do njihovih genomskih golih kosti. Te minimalne celice imajo orodja za razmnoževanje, vendar so vsi geni, ki sicer niso bistveni, odstranjeni. Pri pomembni potrditvi tega, kako naravne so minimalne celice, so raziskovalci odkrili, da se je ta minimalni genom lahko razvil in prilagodil. Po 300 dneh rasti in naravne selekcije v laboratoriju so minimalne celice lahko uspešno tekmovale proti bakterijam prednikov, iz katerih so bile pridobljene. Ugotovitve so pokazale trdnost življenjskih pravil – da lahko minimalne celice tudi po tem, ko so bile oropane skoraj vseh genskih virov, uporabijo orodja naravne selekcije, da se obnovijo v uspešnejše življenjske oblike.

Zavest je občutek bivanja - zavedanje, da imamo edinstvenega sebe, sliko realnosti in mesto v svetu. Dolgo je bil teren filozofov, a pred kratkim so znanstveniki napredovali (neke vrste) pri razumevanju njegove nevrobiološke osnove.

V intervjuju za Veselje zakaj Podcast, objavljen maja, je raziskovalec nevroznanosti Anil Seth z univerze v Sussexu opisal zavest kot nekakšno "nadzorovane halucinacije,” v tem, da naša izkušnja realnosti izvira iz naše notranjosti. Nihče od nas ne more neposredno vedeti, kakšen je svet; res, vsak organizem (in posameznik) doživlja svet drugače. Naš občutek za resničnost oblikujejo čutne informacije, ki jih sprejemamo, in način, kako jih naši možgani organizirajo in sestavljajo v naši zavesti. V tem smislu je naša celotna izkušnja halucinacija - vendar je nadzorovana halucinacija, možganski najboljši opis neposrednega okolja in širšega sveta na podlagi svojih spominov in drugih kodiranih informacij.

Naši umi nenehno sprejemajo nove zunanje informacije in ustvarjajo lastne notranje podobe in pripovedi. Kako lahko ločimo resničnost od fantazije? Letos so raziskovalci odkrili, da imajo možgani "realnostni prag”, glede na katerega nenehno ocenjuje obdelane signale. Večina naših miselnih podob ima precej šibek signal, zato jih naš prag resničnosti zlahka prenese na kup »lažnih«. Toda včasih se lahko naše zaznave in domišljija pomešajo in če so te podobe dovolj močne, se lahko zmedemo – naše halucinacije lahko zamenjamo za resnično življenje.

Kako se zavest pojavi v umu? Gre bolj za razmišljanje ali je produkt čutnih izkušenj? Letos so rezultati a odmevno kontradiktorno sodelovanje ki sta dve veliki teoriji zavesti postavili eno proti drugi. V petih letih sta dve skupini raziskovalcev – ena je predstavljala teorijo globalnega nevronskega delovnega prostora, ki se osredotoča na kognicijo, in druga, ki je predstavljala teorijo integriranih informacij, ki se osredotoča na zaznavanje – soustvarjali in nato vodili poskuse, katerih namen je bil preizkusiti napovedi katere teorije. bili natančnejši. Rezultati so morda razočarali vse, ki so upali na dokončne odgovore. Na odru v New Yorku so na 26. srečanju Združenja za znanstvene študije zavesti raziskovalci priznali načine, na katere so poskusi izzvali obe teoriji in poudarili razlike med njima, vendar so zavrnili razglasitev katere koli teorije za zmagovalca. Vendar pa večer ni bil povsem nezadovoljiv: nevroznanstvenik Christof Koch z Allenovega inštituta za znanost o možganih je priznal 25-letno stavo s filozofom Davidom Chalmersom z univerze v New Yorku, da bi bili nevronski korelati zavesti že identificirani. .

Pogosto je samoumevno, da depresijo povzroča kemično neravnovesje v možganih: natančneje, kronično pomanjkanje serotonina, nevrotransmiterja, ki prenaša sporočila med živčnimi celicami. Kljub temu, da se milijoni depresivnih ljudi po vsem svetu olajšajo z jemanjem Prozaca in drugih zdravil, znanih kot selektivni zaviralci ponovnega privzema serotonina ali SSRI, ki temeljijo na tej teoriji, desetletja vredne nevropsihiatrične raziskave niso uspele potrditi predpostavk tega modela. Hrup znanstvenega nestrinjanja postaja vse glasnejši: mednarodna skupina znanstvenikov je pregledala več kot 350 člankov in ni našel prepričljivih dokazov da so nižje ravni serotonina povezane z depresijo.

Spoznanje, da pomanjkanje serotonina morda ni vzrok, sili raziskovalce, da temeljito premislijo, kaj je depresija. Možno je, da SSRI ublažijo nekatere simptome depresije tako, da spremenijo druge kemikalije ali procese v možganih, ki so bolj neposredni vzroki za depresijo. Možno je tudi, da tisto, čemur pravimo »depresija«, zajema različne motnje, ki se kažejo s podobnimi simptomi, vključno z utrujenostjo, apatijo, spremembami apetita, samomorilnimi mislimi in težavami s spanjem. Če je temu tako, bodo potrebne dodatne raziskave, da se razjasni ta zapletenost – da se ločijo vrste in vzroki depresije ter razvijejo boljše zdravljenje.

Depresija je lahko izolirana izkušnja. Vendar se razlikuje od osamljenosti, čustvenega stanja, ki so ga nevroznanstveniki v zadnjih letih bolje opredelili. Osamljenost ni isto kot socialna izolacija, ki je objektivno merilo števila odnosov, v katerih je oseba: nekdo je lahko v številnih odnosih in je še vedno osamljen. Prav tako ne gre za socialno anksioznost, ki je strah pred odnosi ali določenimi izkušnjami v odnosih.

Namesto tega vse več nevrobioloških raziskav to kaže osamljenost je pristranskost v umu proti razlagi družbenih informacij na negativen, samokaznujoč način. Kot da bi signal preživetja, ki se je razvil, da bi nas spodbudil, da se ponovno povežemo z ljudmi, na katere se zanašamo, povzročil kratek stik in ustvaril samoohranjevalno zanko občutene izolacije. Znanstveniki še niso odkrili zdravljenja osamljenosti, toda morda preprosto razumevanje te negativne zanke pomaga kronično osamljenim, da se izognejo krogu in najdejo tolažbo v svojih obstoječih povezavah ali v novih.

Od kod prihajamo in kako smo prišli sem? Na ta brezčasna vprašanja bi lahko odgovorili na več načinov in številne biologe so spodbudili k iskanju izvora evkariontov – 2 milijardi let stare linije življenja, ki vključuje vse živali, rastline in glive ter številne enocelične bolj zapletena bitja kot bakterije.

Pri iskanju prvega evkarionta so raziskovalci skrbno pridobili redke mikrobe iz blata morskega dna. Pred kratkim je evropski laboratorij po šestih letih dela postal šele drugi po uspešnosti gojijo eno od asgardskih arhej— skupina primitivnih enoceličnih organizmov, katerih genomi so neverjetno podobni genomom evkariontov in za katere se domneva, da so njihovi predniki. Znanstveniki upajo, da bo neposredno preučevanje celic v laboratoriju razkrilo nove informacije o tem, kako so se evkarionti razvili, in nas približalo razumevanju našega izvora.

Evolucijsko potovanje tega prvega evkarionta je zavito v tančico skrivnosti. Letos znanstveniki našli način, kako zapolniti 800 milijonov let dolgo vrzel v molekularnem fosilnem zapisu med pojavom najzgodnejšega evkarionta in najnovejšega prednika vseh danes živečih evkariontov. Prej znanstveniki, ko so iskali informacije o evkariontih, ki so živeli v praznem prostoru od približno 800 milijonov do 1.6 milijarde let, niso mogli najti molekularnih fosilov, ki so jih pričakovali. Ko pa je avstralska ekipa prilagodila svoj iskalni filter, da bi iskala fosilizirane različice primitivnejših molekul, jih je našla v izobilju. Ugotovitve so razkrile, kar avtorji imenujejo "izgubljeni svet" evkariontov, ki pomaga pripovedovati zgodbo o zgodnji evolucijski zgodovini naših davnih prednikov.

Raziskave v zadnjem desetletju so bolje opredelile mikrobiom – zbirko mikroorganizmov, ki živijo v našem črevesju in drugje v našem telesu – in subtilne načine, na katere vpliva na naše zdravje. Letos so znanstveniki doslej najbolj podrobno razkrili, od kod prihajajo naši mikrobiomi in kako se razvijajo skozi naše življenje.

Ni presenetljivo, da prva semena našega mikrobioma običajno izvirajo od mame – prenašajo se med porodom in tudi z dojenjem. Raziskava, objavljena letos, je pokazala, da materini prispevki niso le celi mikrobni organizmi, ampak tudi majhne delčke DNK imenovani mobilni genetski elementi. Do prvega leta življenja ti mobilni genetski elementi skačejo od materinih bakterij do otrokovih skozi proces, imenovan horizontalni prenos genov. Odkritje je presenetilo raziskovalce, ki niso pričakovali, da bo visoka stopnja koevolucije med materinim mikrobiomom in otrokovim trajala tako dolgo po rojstvu.

To še ni konec zgodbe: mikrobiom se razvija skozi naše življenje. Letos objavljena tudi največja analiza prenosa človeškega mikrobioma je razkrila, kako mikrobiomi premešajo in ponovno sestavijo v mnogih desetletjih. Predložil je jasne dokaze, da se mikrobiomski organizmi širijo med ljudmi, zlasti tistimi, s katerimi preživimo največ časa, kot so družinski člani, partnerji in sostanovalci. Študija je izpostavila zanimivo možnost, da bi se lahko nekatere bolezni, ki veljajo za nenalezljive, dejansko prenašale, na včasih subtilne načine, prek črevesne flore.

Eone pred izumom sončnih in atomskih ur so organizmi razvili biološka orodja za merjenje časa. Potrebujejo notranje cirkadiane ure, ki lahko ohranjajo njihove presnovne procese v sinhronizaciji s ciklom dneva in noči, in tudi ure, podobne koledarjem, da ohranjajo svoje razvojne procese na pravi poti. Letos so raziskovalci naredili pomemben napredek pri razumevanju obeh.

Naval raziskav v zadnjih nekaj letih, ki so jih omogočile nove tehnologije matičnih celic, je ponudil nova pojasnila za tisto, kar je znano kot razvojni tempo. Vsi vretenčarji začnejo življenje kot preprost zarodek - vendar se hitrost razvoja zarodka in čas dozorevanja njegovih tkiv močno razlikujeta med vrstami in določata njihovo končno obliko. Kaj nadzoruje tiktakanje razvojne ure? Letos je vrsta skrbnih poskusov v laboratorijih po vsem svetu, ki so se osredotočali na različne vrste in sisteme, pokazala na skupno razlago: da tempo določajo temeljni presnovni procesi, vključno z biokemičnimi reakcijami in izražanjem genov, ki so v njihovi osnovi. Zdi se, da te presnovne procese v osnovi organizirajo mitohondriji, ki lahko zelo dobro opravljajo dvojno vlogo kot merilnik časa kompleksne celice in vir energije.

Medtem ko so bili ti raziskovalci razkropljeni po vsem svetu, je bilo novo delo o cirkadiani uri opravljeno v laboratoriju enega samega znanstvenika: biokemičarke Carrie Partch na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu. Partcha žene edinstvena obsedenost ne le z osnovnimi koraki ure, ampak tudi z zapleten ples da proteini ure delujejo, ko so zgrajeni ter med interakcijo in razgradnjo. Kot vsak urar tudi ona ni zadovoljna s tem, da ve, kaj so zobniki in zobniki – razumeti mora tudi, kako se prilegajo skupaj. Ko je v svoji karieri posvečala tako veliko pozornost enemu samemu sistemu, je prišla do odkritij o plesu proteinov ure, ki predstavljajo širše resnice, na primer, da so nestrukturirani ali celo neurejeni proteini temeljni za biološke procese.

Eden od znakov napredka v nevroznanosti je, da postaja vedno bolj natančna. Z uporabo novih orodij, ki so trdneje utemeljena v zanesljivi znanosti, lahko znanstveniki zdaj svojo pozornost usmerijo na opredelitev posebnosti posameznih možganskih celic. Letos so locirali socialni zemljevid netopirjev, za katere se je izkazalo, da so prekriti z netopirjevim zemljevidom njihovega fizičnega okolja – iste možganske celice v hipokampusu kodirajo več vrst informacij o okolju. Zdi se, da so drugi raziskovalci razrešili 30-letno razpravo o tem, ali lahko nekatere možganske glialne celice – ki so v preteklosti veljale za komaj kaj več kot podloga za bolj prestižne nevrone – stimulirajo električne signale. Skupina nevroznanstvenikov in kliničnih raziskovalcev je ob pomoči bolnikov z epilepsijo, ki so jim vsadili elektrode za izboljšanje zdravstvene oskrbe, odkrila, da so možgani različne sisteme za predstavitev majhnih in velikih števil. In prvič so raziskovalci v treh dimenzijah vizualizirali, kako vohalni receptor zgrabi molekulo vonja — pomemben korak pri razumevanju, kako lahko nos in možgani prestrežejo kemikalije v zraku in pridobijo ključne senzorične informacije o okolju.