De största upptäckterna inom biologi 2023 | Quanta Magazine

Revolutioner inom de biologiska vetenskaperna kan ta många former. Ibland bryter de ut från användningen av ett nytt verktyg eller uppfinningen av en radikal teori som plötsligt öppnar så många nya vägar för forskning att det kan kännas svindlande. Ibland tar de form långsamt, genom den långsamma ackumuleringen av studier, som var och en representerar år av mödosamt arbete, som kollektivt chippar bort den rådande visdomen och avslöjar en starkare, bättre intellektuell ram. Båda typerna av revolutioner släpper lös laviner av nya idéer och insikter som förbättrar vår förståelse för hur livet fungerar.

Det senaste året har det inte varit någon brist på dessa. Till exempel forskare framgångsrikt odlade "embryomodeller" - laboratorieodlade konstgjorda embryon som mognar som riktiga - som nått ett mer avancerat utvecklingsstadium än någonsin tidigare. Denna prestation kan så småningom ge värdefulla nya insikter om hur mänskliga foster växer, även om debatt om den etiska statusen för dessa modeller också verkar trolig. Under tiden, i neurovetenskapens värld, har forskare som studerar depression fortsatt att göra det gå bort från teorin som i allmänhet har styrt mycket av forskningen och den farmaceutiska behandlingen av den sjukdomen i decennier.

Men den typen av biologisk revolution involverar mänsklig uppfinningsrikedom, med forskare inom biovetenskap som kommer till nya insikter. Revolutioner sker också i själva biologin - när evolutionen har gjort det möjligt för organismer att göra något aldrig tidigare skådat. Biologer har nyligen upptäckt många fler fall av denna typ av genombrott.

Att hålla reda på tid, till exempel, är en funktion som är väsentlig för alla levande varelser, från mikroorganismer som tar sin tid till nästa celldelning till embryon som växer lemmar och organ, till mer komplexa djur som spårar dagen och natten. Team av forskare som pluggar in i laboratorier runt om i världen har nyligen upptäckt att några nyckelfunktioner i tidtagning är knuten till cellulär metabolism — vilket betyder att organellen som kallas mitokondrien är både en generator och en klocka. Andra aspekter av tidtagning mäts av utvecklingen av en molekylär balett där specialiserade proteiner piruetteras ihop innan de separeras igen.

Forskare hoppas också att snart göra viktiga upptäckter nu när de kan odla några av de primitiva, sedan länge förlorade celler som kallas Asgard archaea. För en miljard år sedan tog Asgard archaea (eller celler ungefär som dem) det upprörande steget att bilda permanenta partnerskap med mitokondriernas förfäder och därigenom födde de första komplexa cellerna. Hemligheterna bakom hur och varför det biologiska genombrottet hände kan ligga på lur i dessa exotiska cellkulturer. Samtidigt granskar andra forskare mikrober med "grit crust". som bor i den ökända torra Atacamaöknen i Chile för ledtrådar till hur de första jordlevande cellerna överlevde.

Tillräckligt med fantastiska biologiska innovationer upptäcktes 2023 för att bilda en veritabel parad: plankton som överladdade sina fotosyntetiska förmågor genom att återanvända ett av deras membran, och underjordiska mikrober som lärde sig det göra syre i totalt mörker. En immunologiskt knep som skyddar spädbarn i livmodern, och en neurologiskt knep som låter hjärnan kartlägga sociala relationer som fysiska landskap. En enkel mutation som förvandlade myror till komplexa sociala parasiter praktiskt taget över natten, och en strategisk demolering av DNA som maskar använder för att skydda sina genom.

Quanta krönikade alla dessa och mer i år, och när nya genombrott inom fundamental biologi dyker upp under de kommande åren kommer vi att finnas där för dem också.

På samma sätt som fysikaliska forskare bygger enkla modellsystem som språngbrädor för att förstå mer komplexa fenomen, föredrar vissa biologer att lära sig hur livet fungerar genom att skapa enklare versioner. I år gjorde de framsteg på två fronter: i stor skala, i att skapa "embryomodeller" och i liten skala, i att studera den minsta möjliga cell.

Embryomodeller, eller syntetiska embryon, är laboratorieprodukter av stamceller som kan induceras att växa troget genom de tidiga utvecklingsstadierna, även om de tar slut innan de återskapar hela embryonala utvecklingsprocessen. De utformades som potentiella verktyg för den etiska experimentella studien av mänsklig utveckling. I år visade forskargrupper i Israel och Storbritannien att de kunde vårda embryomodeller hela vägen upp genom (och möjligen bortom) det stadium där forskning på levande mänskliga embryon är lagligt tillåten. Forskare i Kina inledde till och med kort graviditeter hos apor med embryomodeller. Dessa framgångar anses vara stora genombrott för en teknik som kan hjälpa forskare att svara på viktiga frågor om prenatal utveckling, och de kan så småningom löna sig för att förebygga missfall och fosterskador. Samtidigt väckte experimenten på nytt etiska argument om denna forskningslinje, med tanke på att i takt med att embryomodellerna blir mer utvecklingsmässigt avancerade, kan de också börja verka mer inneboende förtjänta av skydd.

Syntetiskt liv är inte alltid etiskt kontroversiellt. I år, forskare testade gränserna för "minimala" celler, enkla organismer som härrör från bakterier som har skalats ner till sina genomiska nakna ben. Dessa minimala celler har verktygen för att reproducera sig, men alla gener som annars inte är nödvändiga har tagits bort. I en viktig validering av hur naturligt verklighetstrogna de minimala cellerna är, upptäckte forskare att detta minimala genom kunde utvecklas och anpassa sig. Efter 300 dagars tillväxt och naturligt urval i labbet kunde de minimala cellerna framgångsrikt tävla mot de förfäders bakterier som de härrörde från. Fynden visade på robustheten i levnadsreglerna - att även efter att ha blivit bestulen på nästan varje genetisk resurs kunde de minimala cellerna använda verktygen för naturligt urval för att återhämta sig till mer framgångsrika livsformer.

Medvetande är känslan av att vara - medvetenheten om att ha ett unikt jag, en bild av verkligheten och en plats i världen. Det har länge varit filosofernas terräng, men nyligen har forskare gjort framsteg (av olika slag) för att förstå dess neurobiologiska grund.

I en intervju om Joy of Why podcast som släpptes i maj, beskrev neurovetenskapsforskaren Anil Seth från University of Sussex medvetande som ett slags "kontrollerad hallucination,” genom att vår upplevelse av verkligheten kommer inifrån oss. Ingen av oss kan direkt veta hur världen är; ja, varje organism (och individ) upplever världen på olika sätt. Vår verklighetskänsla formas av den sensoriska information vi tar in och hur vår hjärna organiserar den och konstruerar den i vårt medvetande. I den meningen är hela vår upplevelse en hallucination - men det är en kontrollerad hallucination, hjärnans bästa gissningsbeskrivning av den omedelbara miljön och den större världen baserat på dess minnen och annan kodad information.

Våra hjärnor tar ständigt in ny extern information och skapar också sina egna interna bilder och berättelser. Hur kan vi skilja verklighet från fantasi? I år upptäckte forskare att hjärnan har en "verklighetströskeln” mot vilken den ständigt utvärderar bearbetade signaler. De flesta av våra mentala bilder har en ganska svag signal, så vår verklighetströskel överför dem lätt till den "falska" högen. Men ibland kan våra uppfattningar och fantasi blandas, och om dessa bilder är tillräckligt starka kan vi bli förvirrade - potentiellt missta våra hallucinationer för verkliga livet.

Hur uppstår medvetandet i sinnet? Handlar det mer om att tänka, eller är det en produkt av sinnesupplevelser? I år har resultaten av en högprofilerat kontradiktoriskt samarbete som ställde två stora teorier om medvetande mot varandra tillkännagavs. Under loppet av fem år har två team av forskare – ett som representerar global neuronal arbetsrumsteori, som fokuserar på kognition, och det andra representerar integrerad informationsteori, som fokuserar på perception – samskapat och sedan ledde experiment som syftade till att testa vilken teoris förutsägelser var mer exakta. Resultaten kan ha varit en besvikelse för alla som hoppas på definitiva svar. På scenen i New York City, vid det 26:e mötet med Association for the Scientific Study of Consciousness, erkände forskarna sätt på vilka experimenten hade utmanat båda teorierna och belyst skillnader mellan dem, men de avböjde att utse någon av teorierna till vinnare. Kvällen var dock inte helt otillfredsställande: neuroforskaren Christof Koch från Allen Institute for Brain Science medgav en 25-årig satsning med filosofen David Chalmers från New York University om att medvetandets neurala korrelat skulle ha identifierats vid det här laget. .

Det tas ofta för givet att depression orsakas av en kemisk obalans i hjärnan: specifikt en kronisk brist på serotonin, en neurotransmittor som förmedlar meddelanden mellan nervceller. Men även om miljontals deprimerade människor världen över får lättnad från att ta Prozac och de andra läkemedlen som är kända som selektiva serotoninåterupptagshämmare, eller SSRI, baserat på den teorin, har decenniers neuropsykiatrisk forskning misslyckats med att validera antagandena i den modellen. Brummandet av vetenskaplig oliktänkande har blivit allt högre: Ett internationellt team av forskare granskade mer än 350 artiklar och fann inga övertygande bevis att lägre nivåer av serotonin är förknippade med depression.

Insikten om att serotoninbrist kanske inte är orsaken tvingar forskare att i grunden tänka om vad depression är. Det är möjligt att SSRI lindrar vissa symtom på depression genom att förändra andra kemikalier eller processer i hjärnan som är mer direkta orsaker till depression. Det är också möjligt att det vi kallar "depression" omfattar en mängd olika störningar som visar sig med en liknande uppsättning symtom, inklusive trötthet, apati, förändringar i aptit, självmordstankar och sömnproblem. Om så är fallet kommer betydande ytterligare forskning att behövas för att packa upp denna komplexitet - för att skilja på depressionstyperna och orsakerna och för att utveckla bättre behandlingar.

Depression kan vara en isolerande upplevelse. Men det skiljer sig från ensamhet, ett känslomässigt tillstånd som neuroforskare har bättre definierat under de senaste åren. Ensamhet är inte detsamma som social isolering, som är ett objektivt mått på hur många relationer en person befinner sig i: Någon kan vara i många relationer och ändå vara ensam. Det är inte heller social ångest, som är en rädsla för relationer eller för vissa relationsupplevelser.

Istället tyder en växande mängd neurobiologisk forskning på det ensamhet är en fördom i sinnet mot att tolka social information på ett negativt, självbestraffande sätt. Det är som om en överlevnadssignal som utvecklats för att uppmana oss att återknyta kontakten med de människor vi litar på har kortslutits och skapat en självförevigande slinga av känt isolering. Forskare har ännu inte hittat en medicinsk behandling för ensamhet, men kanske helt enkelt att förstå den negativa loopen kan hjälpa kroniskt ensamma att fly cykeln och finna tröst i sina befintliga kontakter eller i nya.

Var kommer vi ifrån och hur kom vi hit? Dessa tidlösa frågor kan besvaras på många sätt, och de har satt många biologer på jakt efter ursprunget till eukaryoterna - den 2 miljarder år gamla livslinjen som inkluderar alla djur, växter och svampar och många encelliga varelser mer komplexa än bakterier.

Sökandet efter den första eukaryoten har fått forskare att möta sällsynta mikrober från havsbottenslam. Nyligen, efter sex års arbete, blev ett europeiskt laboratorium bara det andra med framgång odla en av Asgard archaea— en grupp primitiva encelliga organismer som har genom med ögonbrynshöjande likheter med dem hos eukaryoter, och som tros vara förfäder för dem. Forskare hoppas att en direkt studie av cellerna i labbet kommer att avslöja ny information om hur eukaryoter utvecklades och få oss närmare att förstå vårt ursprung.

Den evolutionära resan för den första eukaryoten är höljd i mystik. I år hittade forskare ett sätt att fylla i ett gap på 800 miljoner år i den molekylära fossilregistreringen mellan uppkomsten av den tidigaste eukaryoten och den för den senaste förfadern av alla eukaryoter som lever idag. Tidigare, när forskare sökte information om eukaryoter som levde i det tomma utrymmet för ungefär 800 miljoner till 1.6 miljarder år sedan, kunde forskarna inte hitta de molekylära fossilerna de förväntade sig. Men när ett australiensiskt team justerade sitt sökfilter för att leta efter fossiliserade versioner av mer primitiva molekyler, fann de dem i överflöd. Fynden avslöjade vad författarna kallar "en förlorad värld" av eukaryoter som hjälper till att berätta historien om våra gamla förfäders tidiga evolutionära historia.

Forskning under det senaste decenniet har bättre karakteriserat mikrobiomet - samlingen av mikroorganismer som lever i våra tarmar och på andra ställen i vår kropp - och de subtila sätten på vilka den påverkar vår hälsa. I år avslöjade forskare i största detalj hittills var våra mikrobiomer kommer ifrån och hur de utvecklas under våra liv.

Föga överraskande kommer de första fröna av vår mikrobiom vanligtvis från mamma - överförs under födseln och även genom amning. Forskning publicerad i år fann att en mammas bidrag inte bara är hela mikrobiella organismer, utan också små DNA-bitar kallas mobila genetiska element. Under det första levnadsåret hoppar dessa mobila genetiska element från moderns bakterier till barnets genom en process som kallas horisontell genöverföring. Upptäckten förvånade forskarna, som inte förväntade sig att den höga graden av samevolution mellan moderns mikrobiom och barnet skulle fortsätta så länge efter födseln.

Det är inte slutet på historien: mikrobiomet utvecklas under hela våra liv. Den största analysen hittills av mänsklig mikrobiomöverföring, som också publicerades i år, avslöjade hur mikrobiomer blandas och sätts ihop igen under många decennier. Det gav tydliga bevis för att mikrobioma organismer sprids mellan människor, särskilt de som vi spenderar mest tid med, såsom familjemedlemmar, partners och rumskamrater. Och studien tog upp den spännande möjligheten att vissa sjukdomar som anses icke-smittsamma faktiskt kan överföras, på ibland subtila sätt, genom tarmfloran.

Eoner före uppfinningen av solur, klockor och atomur, utvecklade organismer biologiska verktyg för att hålla tiden. De behöver interna dygnsklockor som kan hålla sina metaboliska processer synkroniserade med cykeln dag och natt, och även klockor som liknar kalendrar för att hålla sina utvecklingsprocesser på rätt spår. I år gjorde forskare viktiga framsteg för att förstå båda.

En uppsjö av forskning under de senaste åren, möjliggjort av ny stamcellsteknologi, har gjort det gav nya förklaringar för det som kallas utvecklingstempo. Alla ryggradsdjur börjar livet som ett enkelt embryo - men hastigheten med vilken ett embryo utvecklas, och tidpunkten för när dess vävnader mognar, varierar dramatiskt mellan arterna och bestämmer deras slutliga form. Vad styr utvecklingsklockans tickande? I år pekade en rad noggranna experiment i labb runt om i världen, med fokus på olika arter och system, på en gemensam förklaring: att grundläggande metaboliska processer, inklusive biokemiska reaktioner och genuttrycket som ligger bakom dem, alla sätter farten. Dessa metaboliska processer verkar vara organiserade i grunden av mitokondrierna, som mycket väl kan tjäna dubbla roller som den komplexa cellens tidtagare och kraftkälla.

Medan dessa forskare var utspridda över hela världen, har nytt arbete på dygnsklockan gjorts i labbet av en enda forskare: biokemisten Carrie Partch vid University of California, Santa Cruz. Partch drivs av en unik besatthet inte bara av klockans grundläggande steg, utan också av den invecklade dansen att klockproteiner presterar när de är byggda och när de interagerar och bryts ned. Som vilken urmakare som helst, är hon inte nöjd med att veta vad kugghjulen och kuggarna är – hon måste också förstå hur de passar ihop. Genom att ägna så stor uppmärksamhet åt ett enda system under sin karriär har hon gjort upptäckter om klockproteinernas dans som representerar bredare sanningar, till exempel att ostrukturerade eller till och med oordnade proteiner är grundläggande för biologiska processer.

Ett tecken på framstegen inom neurovetenskap är att den blir ständigt mer exakt. Med hjälp av nya verktyg som är mer fast förankrade i sund vetenskap, kan forskare nu fokusera sin uppmärksamhet på att definiera egenheter hos enskilda hjärnceller. I år de lokaliserat den sociala kartan av fladdermöss, som visade sig vara överlagrade på fladdermössens karta över deras fysiska miljö - samma exakta hjärnceller i hippocampus kodar flera typer av miljöinformation. Andra forskare verkar ha löst en 30-årig debatt om huruvida några av hjärnans gliaceller – som historiskt sett anses vara knappt mer än vaddering för de mer prestigefyllda neuronerna – kan stimulera elektriska signaler. Ett team av neurovetare och kliniska forskare, med hjälp av epilepsipatienter som fått elektroder implanterade för att förbättra sin medicinska vård, upptäckte att hjärnan har olika system för att representera små och stora siffror. Och för allra första gången visualiserade forskare i tre dimensioner hur en luktreceptor tar tag i en luktmolekyl — ett viktigt steg för att förstå hur näsan och hjärnan kan fånga upp luftburna kemikalier och få viktig sensorisk information om miljön.