Найбільші відкриття в біології 2023 року | Журнал Quanta

Революції в біологічних науках можуть приймати різні форми. Іноді вони виникають через використання нового інструменту чи винайдення радикальної теорії, яка раптово відкриває стільки нових шляхів для дослідження, що може запаморочитися голова. Іноді вони формуються повільно, через повільне накопичення досліджень, кожне з яких є роками кропіткої роботи, які разом розривають переважаючу мудрість і відкривають міцнішу, кращу інтелектуальну основу. Обидва типи революцій дають волю лавинам нових ідей та уявлень, які покращують наше розуміння того, як влаштовано життя.

Минулого року їх не бракувало. Наприклад, дослідники успішно виростили «моделі ембріонів» — штучні ембріони, вирощені в лабораторії, які дозрівають, як справжні — які досягли вищої стадії розвитку, ніж будь-коли раніше. Це досягнення може врешті-решт дати нове важливе розуміння того, як ростуть людські плоди, хоча дебати щодо етичного статусу цих моделей теж здаються ймовірними. Тим часом у світі нейронауки дослідники продовжують вивчати депресію відійти від теорії який, як правило, керував більшою частиною досліджень і фармацевтичного лікування цієї хвороби протягом десятиліть.

Але такі види біологічної революції включають людську винахідливість, і дослідники в науках про життя приходять до нових усвідомлень. Революції відбуваються і в самій біології — коли еволюція дає можливість організмам робити щось безпрецедентне. Останнім часом біологи виявили ще багато випадків такого прориву.

Наприклад, відстеження часу є важливою функцією для всіх живих істот, від мікроорганізмів, які вичікують свій час до наступного поділу клітини, до ембріонів, у яких ростуть кінцівки та органи, до складніших істот, які відстежують перебіг дня та ночі. Команди дослідників, які працюють у лабораторіях по всьому світу, нещодавно виявили, що є деякі ключові особливості хронометражу пов'язані з клітинним метаболізмом — це означає, що органела, яка називається мітохондрією, є одночасно генератором і годинником. Інші аспекти хронометражу вимірюються прогрес молекулярного балету в якому спеціалізовані білки роблять пірует разом перед тим, як знову розділятися.

Дослідники також сподіваються незабаром зробити важливі відкриття, тепер вони зможуть культивувати деякі з примітивних, давно втрачених клітин, які називаються Асгардський архей. Мільярд років тому асгардські археї (або клітини, дуже схожі на них) зробили обурливий крок, утворивши постійні партнерства з предками мітохондрій, таким чином породивши перші складні клітини. Секрети того, як і чому стався цей біологічний прорив, можуть ховатися в цих екзотичних культурах клітин. Тим часом інші дослідники ретельно вивчають мікроби «піщаної кірки». які живуть у сумнозвісній посушливій пустелі Атакама в Чилі, щоб дізнатися, як вижили перші наземні клітини.

У 2023 році було виявлено достатньо дивовижних біологічних інновацій, щоб створити справжній парад: планктон, який посилили свої фотосинтетичні здібності шляхом перепрофілювання однієї зі своїх мембран і підземних мікробів, які навчилися цьому виробляти кисень у повній темряві. імунологічний трюк що захищає дітей в утробі матері, і a неврологічний трюк що дозволяє мозку малювати соціальні відносини, як фізичні ландшафти. Проста мутація, яка перетворила мурах на комплексні соціальні паразити практично за ніч, і a стратегічне руйнування ДНК які хробаки використовують для захисту своїх геномів.

Quanta записали все це та багато іншого цього року, і коли в наступні роки з’являться нові відкриття у фундаментальній біології, ми також будемо поруч із ними.

Подібно до того, як вчені-фізики будують прості модельні системи як сходинки для розуміння більш складних явищ, деякі біологи вважають за краще вивчати, як працює життя, створюючи простіші версії. Цього року вони досягли прогресу на двох фронтах: у великих масштабах, у створенні «моделей ембріонів», і в малих масштабах, у вивченні найменшої можливої ​​клітини.

Моделі ембріонів, або синтетичні ембріони, є лабораторними продуктами стовбурових клітин, які можна змусити правильно рости на ранніх стадіях розвитку, хоча вони самознищуються до того, як відтворюється повний процес ембріонального розвитку. Вони були розроблені як потенційні інструменти для етичного експериментального дослідження людського розвитку. Цього року дослідницькі групи в Ізраїлі та Великобританії показали, що можуть виховувати моделі ембріонів аж до (і, можливо, далі) стадії, на якій законодавчо дозволено дослідження живих людських ембріонів. Дослідники в Китаї навіть ненадовго ініціювали вагітність у мавп за допомогою ембріональних моделей. Ці успіхи вважаються великим проривом у техніці, яка може допомогти вченим відповісти на важливі питання про внутрішньоутробний розвиток, і зрештою вони можуть окупитися у запобіганні викидням і вродженим дефектам. У той же час експерименти знову пробудили етичні аргументи щодо цього напряму досліджень, враховуючи, що в міру того, як моделі ембріонів стають більш просунутими в розвитку, вони також можуть почати здаватися, що вони заслуговують на захист.

Синтетичне життя не завжди викликає етичні суперечки. Цього року дослідники перевірив межі «мінімальних» комірок, прості організми, отримані з бактерій, які були очищені до голих геномних кісток. Ці мінімальні клітини мають інструменти для відтворення, але будь-які гени, які інакше не є важливими, були видалені. У важливому підтвердженні того, наскільки мінімальні клітини є природними, дослідники виявили, що цей мінімальний геном здатний еволюціонувати та адаптуватися. Після 300 днів росту та природного відбору в лабораторії мінімальні клітини могли успішно конкурувати з предковими бактеріями, з яких вони були отримані. Отримані дані продемонстрували надійність правил життя — навіть після того, як у них викрали майже всі генетичні ресурси, мінімальні клітини могли використовувати інструменти природного відбору, щоб відновитися до більш успішних форм життя.

Свідомість — це відчуття буття — усвідомлення наявності унікального Я, картини реальності та свого місця у світі. Це вже давно поле для філософів, але нещодавно вчені досягли (свого роду) прогресу в розумінні його нейробіологічної основи.

В інтерв'ю про Радість чому Подкаст, випущений у травні, дослідник нейробіології Аніл Сет з Університету Сассекса описав свідомість як різновид «контрольовані галюцинації,” тим, що наш досвід реальності виникає зсередини нас. Ніхто з нас не може безпосередньо знати, яким є світ; справді, кожен організм (і індивід) відчуває світ по-різному. Наше відчуття реальності формується сенсорною інформацією, яку ми сприймаємо, і тим, як наш мозок організовує її та створює в нашій свідомості. У цьому сенсі весь наш досвід є галюцинацією, але це контрольована галюцинація, найкращий опис мозку найближчого оточення та більшого світу на основі спогадів та іншої закодованої інформації.

Наш розум постійно отримує нову зовнішню інформацію, а також створює власні внутрішні образи та наративи. Як ми можемо відрізнити реальність від фантазії? Цього року дослідники виявили, що мозок має “поріг реальності», за яким він постійно оцінює оброблені сигнали. Більшість наших ментальних образів мають досить слабкий сигнал, тому наш поріг реальності легко відносить їх до купи «фальшивих». Але іноді наше сприйняття та уява можуть змішуватися, і якщо ці образи досить сильні, ми можемо заплутатися, потенційно сприймаючи наші галюцинації за реальне життя.

Як у свідомості виникає свідомість? Це більше про мислення чи це продукт чуттєвого досвіду? Цього року результати а гучне змагальне співробітництво було оголошено про протистояння двох основних теорій свідомості. Протягом п’яти років дві групи дослідників — одна представляє теорію глобального нейронного робочого простору, яка зосереджується на пізнанні, а інша — теорія інтегрованої інформації, яка зосереджується на сприйнятті — спільно створювали та проводили експерименти, спрямовані на перевірку прогнозів теорії. були більш точними. Результати могли бути розчаруванням для тих, хто сподівався на остаточні відповіді. На сцені в Нью-Йорку, на 26-му засіданні Асоціації наукового вивчення свідомості, дослідники визнали, як експерименти поставили під сумнів обидві теорії та підкреслили відмінності між ними, але вони відмовилися визнати будь-яку з теорій переможцем. Однак вечір не був зовсім незадовільним: нейробіолог Крістоф Кох з Інституту науки про мозок Аллена визнав парі з філософом Девідом Чалмерсом з Нью-Йоркського університету, який укладав 25 років тому, що нейронні кореляти свідомості вже були ідентифіковані. .

Часто вважають само собою зрозумілим, що причиною депресії є хімічний дисбаланс у мозку: зокрема, хронічний дефіцит серотоніну, нейромедіатора, який передає повідомлення між нервовими клітинами. І все ж незважаючи на те, що мільйони людей із депресією в усьому світі отримують полегшення від прийому Прозаку та інших препаратів, відомих як селективні інгібітори зворотного захоплення серотоніну, або СИОЗС, засновані на цій теорії, десятиліттями нейропсихіатричних досліджень не вдалося підтвердити припущення цієї моделі. Гул наукового інакомислення стає все голоснішим: міжнародна команда вчених відібрала понад 350 статей і не знайшли переконливих доказів що низький рівень серотоніну пов'язаний з депресією.

Усвідомлення того, що причиною може бути не дефіцит серотоніну, змушує дослідників фундаментально переглянути, що таке депресія. Цілком можливо, що СИОЗС полегшують деякі симптоми депресії, змінюючи інші хімічні речовини або процеси в мозку, які є більш безпосередніми причинами депресії. Також можливо, що те, що ми називаємо «депресією», охоплює різноманітні розлади, які проявляються подібним набором симптомів, включаючи втому, апатію, зміни апетиту, суїцидальні думки та проблеми зі сном. Якщо це так, знадобляться значні додаткові дослідження, щоб розкрити цю складність — розрізнити види та причини депресії та розробити кращі методи лікування.

Депресія може бути ізолюючим досвідом. Але воно відрізняється від самотності, емоційного стану, який нейробіологи останнім часом краще визначили. Самотність – це не те саме, що соціальна ізоляція, яка є об’єктивним показником кількості стосунків, у яких перебуває людина: хтось може перебувати у багатьох стосунках і залишатися самотнім. Це також не соціальна тривожність, яка є страхом стосунків або певного досвіду стосунків.

Натомість зростаюча кількість нейробіологічних досліджень свідчить про це самотність - це упередження в розумі до тлумачення соціальної інформації в негативний, самокараючий спосіб. Схоже на те, що сигнал виживання, який спонукав нас відновити зв’язок із людьми, на яких ми покладаємося, замкнувся, утворивши петлю відчуття ізоляції. Вчені ще не знайшли медичного лікування самотності, але, можливо, просте розуміння негативної петлі може допомогти хронічно самотнім вирватися з циклу та знайти розраду в своїх існуючих або нових зв’язках.

Звідки ми родом і як ми сюди потрапили? На ці позачасові запитання можна знайти багато відповідей, і вони спонукали багатьох біологів до пошуку походження еукаріотів — 2-мільярдної лінії життя, яка включає всіх тварин, рослин, грибів і багатьох одноклітинних. істоти складніші за бактерії.

Пошуки першого еукаріота змушують дослідників старанно виманювати рідкісні мікроби з мулу морського дна. Нещодавно, після шести років роботи, європейська лабораторія стала лише другою успішною культивувати один з асгардських архей— група примітивних одноклітинних організмів, які мають геноми, надзвичайно схожі на геноми еукаріотів, і які вважаються їхніми предками. Вчені сподіваються, що безпосереднє вивчення клітин у лабораторії відкриє нову інформацію про еволюцію еукаріот і наблизить нас до розуміння нашого походження.

Еволюційна подорож цього першого еукаріота оповита таємницею. Цього року вчені знайшли спосіб заповнити прогалину в 800 мільйонів років у молекулярному літописі скам’янілостей між появою найдавнішого еукаріота та найновішого предка всіх еукаріотів, що живуть сьогодні. Раніше, шукаючи інформацію про еукаріотів, які жили в порожньому космосі приблизно від 800 мільйонів до 1.6 мільярдів років тому, вчені не могли знайти молекулярні скам’янілості, які вони очікували. Але коли австралійська команда налаштувала свій фільтр пошуку, щоб шукати скам’янілі версії більш примітивних молекул, вони знайшли їх у великій кількості. Отримані дані показали те, що автори називають «втраченим світом» еукаріотів, який допомагає розповісти історію ранньої еволюційної історії наших давніх предків.

Дослідження останнього десятиліття краще охарактеризували мікробіом — сукупність мікроорганізмів, які живуть у нашому кишечнику та в інших місцях нашого тіла — і непомітні способи, якими вони впливають на наше здоров’я. Цього року вчені найбільш детально розкрили, звідки беруться наші мікробіоми та як вони розвиваються протягом нашого життя.

Не дивно, що перші зерна нашого мікробіому зазвичай походять від матері — передаються під час народження, а також через грудне вигодовування. Дослідження, опубліковане цього року, показало, що внесок матері — це не лише цілі мікробні організми, а й маленькі фрагменти ДНК називають мобільними генетичними елементами. До першого року життя ці мобільні генетичні елементи переміщуються від бактерій матері до дитини за допомогою процесу, який називається горизонтальним переносом генів. Це відкриття здивувало дослідників, які не очікували, що високий ступінь коеволюції між мікробіомом матері та дитини триватиме так довго після народження.

Це ще не кінець історії: мікробіом еволюціонує протягом нашого життя. Найбільший аналіз передачі мікробіома людини, також опублікований цього року, показав, як це зробити мікробіоми перемішуються і знову збираються протягом багатьох десятиліть. Він надав чіткі докази того, що мікробіоми поширюються між людьми, особливо тими, з ким ми проводимо найбільше часу, такими як члени сім’ї, партнери та сусіди по кімнаті. Дослідження підняло інтригуючу можливість того, що деякі хвороби, які вважаються неінфекційними, насправді можуть передаватися, іноді непомітними шляхами, через кишкову флору.

За багато років до винаходу сонячних годинників, годинників і атомних годинників організми розробили біологічні інструменти для відстеження часу. Їм потрібні внутрішні циркадні годинники, які можуть синхронізувати їхні метаболічні процеси з циклом дня та ночі, а також годинники, схожі на календарі, щоб підтримувати процеси їхнього розвитку в потрібному напрямку. Цього року дослідники досягли важливих успіхів у розумінні обох.

Шквал досліджень, проведених протягом останніх кількох років, став можливим завдяки новим технологіям стовбурових клітин надав нові пояснення для так званого темпу розвитку. Усі хребетні починають своє життя як простий ембріон, але швидкість, з якою розвивається ембріон, і час, коли його тканини дозрівають, різко відрізняються між видами та визначають їх остаточну форму. Що контролює цокання годинника розвитку? Цього року серія ретельних експериментів у лабораторіях по всьому світу, зосереджених на різних видах і системах, вказала на загальне пояснення: фундаментальні метаболічні процеси, включаючи біохімічні реакції та експресію генів, що лежить в їх основі, задають темп. Схоже, що ці метаболічні процеси організовані в основному мітохондріями, які цілком можуть виконувати подвійну роль як хронометраж складної клітини та джерело енергії.

Поки ці дослідники були розкидані по всьому світу, нова робота над циркадним годинником була виконана в лабораторії одного вченого: біохіміка Керрі Партч з Каліфорнійського університету в Санта-Крус. Партчем керує унікальна одержимість не лише основними кроками годинника, а й складний танець що білки-годинники працюють, коли вони будуються, взаємодіють і деградують. Як будь-який годинникар, її не задовольняє знання того, що таке шестерні та гвинти — їй також потрібно розуміти, як вони підходять один до одного. Приділяючи таку пильну увагу одній системі протягом своєї кар’єри, вона зробила відкриття про танець білків годинника, які представляють ширші істини, наприклад, що неструктуровані або навіть невпорядковані білки є фундаментальними для біологічних процесів.

Однією з ознак прогресу в нейронауці є те, що вона постійно стає точнішою. Використовуючи нові інструменти, які більш міцно ґрунтуються на надійній науці, тепер вчені можуть зосередити свою увагу на визначенні особливостей окремих клітин мозку. Цього року вони розташована соціальна карта кажанів, які, як виявилося, накладені на карту їх фізичного середовища — ті самі клітини мозку в гіпокампі кодують різноманітну інформацію про навколишнє середовище. Інші дослідники, схоже, завершили 30-річну дискусію щодо того, чи можуть деякі гліальні клітини мозку, які історично вважалися лише прокладкою для більш престижних нейронів, стимулювати електричні сигнали. Команда нейробіологів і клінічних дослідників за допомогою пацієнтів з епілепсією, яким імплантували електроди для покращення медичного обслуговування, виявила, що мозок різні системи для представлення малих і великих чисел. І вперше дослідники візуалізували в трьох вимірах роботу нюхового рецептора хапається за молекулу запаху — значний крок у розумінні того, як ніс і мозок можуть перехоплювати хімічні речовини в повітрі та отримувати важливу сенсорну інформацію про навколишнє середовище.