Les révolutions dans les sciences biologiques peuvent prendre plusieurs formes. Parfois, ils résultent de l’utilisation d’un nouvel outil ou de l’invention d’une théorie radicale qui ouvre soudainement tant de nouvelles voies de recherche que cela peut paraître vertigineux. Parfois, ils prennent forme lentement, à travers la lente accumulation d’études, chacune représentant des années de travail minutieux, qui détruisent collectivement la sagesse dominante et révèlent un cadre intellectuel plus fort et meilleur. Les deux types de révolution déclenchent des avalanches d’idées et de connaissances nouvelles qui améliorent notre compréhension du fonctionnement de la vie.

L’année dernière, cela n’a pas manqué. Par exemple, les chercheurs faire pousser avec succès des « modèles d’embryons » – des embryons artificiels cultivés en laboratoire qui mûrissent comme de vrais – qui ont atteint un stade de développement plus avancé que jamais. Cette réalisation pourrait éventuellement fournir de nouvelles informations précieuses sur la façon dont les fœtus humains se développent, même si un débat sur le statut éthique de ces modèles semble également probable. Pendant ce temps, dans le monde des neurosciences, les chercheurs étudiant la dépression ont continué à s'éloigner de la théorie cela a généralement guidé une grande partie de la recherche et du traitement pharmaceutique de cette maladie pendant des décennies.

Mais ce type de révolution biologique fait appel à l’ingéniosité humaine, et les chercheurs en sciences de la vie parviennent à de nouvelles découvertes. Des révolutions se produisent également dans la biologie elle-même, lorsque l’évolution a permis aux organismes de faire quelque chose de sans précédent. Les biologistes ont récemment découvert de nombreux autres exemples de ce type de découverte.

Garder une trace du temps, par exemple, est une fonction essentielle à tous les êtres vivants, des micro-organismes attendant leur heure jusqu'à la prochaine division cellulaire aux embryons développant des membres et des organes, en passant par des créatures plus complexes qui suivent le passage du jour et de la nuit. Des équipes de chercheurs travaillant dans des laboratoires du monde entier ont récemment découvert que certaines caractéristiques clés de la mesure du temps sont lié au métabolisme cellulaire — ce qui signifie que l'organite appelé mitochondrie est à la fois un générateur et une horloge. D'autres aspects du chronométrage sont mesurés par le déroulement d'un ballet moléculaire dans lequel des protéines spécialisées pirouettent ensemble avant de se séparer à nouveau.

Les chercheurs espèrent également faire bientôt d'importantes découvertes, maintenant qu'ils peuvent cultiver certaines des cellules primitives perdues depuis longtemps appelées Archées d'Asgard. Il y a un milliard d'années, les archées d'Asgard (ou des cellules qui leur ressemblent beaucoup) ont pris la décision scandaleuse de former des partenariats permanents avec les ancêtres des mitochondries, donnant ainsi naissance aux premières cellules complexes. Les secrets sur le comment et le pourquoi de cette percée biologique se cachent peut-être dans ces cultures de cellules exotiques. Pendant ce temps, d’autres chercheurs scrutent microbes à « croûte de sable » qui vivent dans le tristement célèbre désert d'Atacama au Chili pour obtenir des indices sur la façon dont les premières cellules terrestres ont survécu.

Assez de merveilleuses innovations biologiques ont été découvertes en 2023 pour former un véritable défilé : le plancton qui suralimenté leurs capacités photosynthétiques en réutilisant l'une de leurs membranes, et les microbes souterrains qui ont appris à fabriquer de l'oxygène dans l'obscurité totale. Un astuce immunologique qui protège les bébés dans l'utérus, et un astuce neurologique cela permet au cerveau de cartographier les relations sociales comme des paysages physiques. Une simple mutation qui a transformé les fourmis en parasites sociaux complexes pratiquement du jour au lendemain, et un démolition stratégique de l'ADN que les vers utilisent pour sauvegarder leur génome.

Quanta Nous avons fait la chronique de tout cela et bien plus encore cette année, et à mesure que de nouvelles percées en biologie fondamentale seront mises en lumière dans les années à venir, nous serons également là pour elles.

De la même manière que les physiciens construisent des systèmes modèles simples comme tremplins vers la compréhension de phénomènes plus complexes, certains biologistes préfèrent apprendre le fonctionnement de la vie en créant des versions plus simples. Cette année, ils ont progressé sur deux fronts : à grande échelle, en créant des « modèles d’embryons », et à petite échelle, en étudiant la cellule la plus minimale possible.

Les modèles d'embryons, ou embryons synthétiques, sont des produits de laboratoire à partir de cellules souches qui peuvent être amenées à se développer fidèlement tout au long des premiers stades de développement, bien qu'elles s'autoterminent avant de reproduire le processus complet de développement embryonnaire. Ils ont été conçus comme des outils potentiels pour l’étude expérimentale éthique du développement humain. Cette année, des groupes de recherche en Israël et au Royaume-Uni ont montré qu'ils pouvaient nourrir des modèles d’embryons tout au long (et peut-être au-delà) du stade où la recherche sur les embryons humains vivants est légalement autorisée. Des chercheurs chinois ont même brièvement initié des grossesses chez des singes avec des modèles d'embryons. Ces succès sont considérés comme des avancées majeures pour une technique qui pourrait aider les scientifiques à répondre à des questions importantes sur le développement prénatal, et pourraient éventuellement s'avérer payants dans la prévention des fausses couches et des malformations congénitales. Dans le même temps, les expériences ont réveillé des arguments éthiques autour de cette ligne de recherche, étant donné qu’à mesure que les modèles d’embryons deviennent plus avancés sur le plan du développement, ils peuvent également commencer à sembler intrinsèquement plus méritants de protection.

La vie synthétique n’est pas toujours controversée sur le plan éthique. Cette année, les chercheurs testé les limites des cellules « minimales », des organismes simples dérivés de bactéries qui ont été dépouillées jusqu'à leurs os génomiques. Ces cellules minimales disposent des outils nécessaires pour se reproduire, mais tous les gènes qui ne sont pas essentiels ont été supprimés. Dans le cadre d’une validation importante du caractère naturellement réaliste des cellules minimales, les chercheurs ont découvert que ce génome minimal était capable d’évoluer et de s’adapter. Après 300 jours de croissance et de sélection naturelle en laboratoire, les cellules minimales ont pu rivaliser avec succès avec les bactéries ancestrales dont elles étaient issues. Les résultats ont démontré la robustesse des règles de la vie : même après avoir été privées de presque toutes les ressources génétiques, les cellules minimales pouvaient utiliser les outils de la sélection naturelle pour se reconstituer en formes de vie plus performantes.

La conscience est le sentiment d'être – la conscience d'avoir un moi unique, une image de la réalité et une place dans le monde. Cela a longtemps été le domaine des philosophes, mais récemment, les scientifiques ont fait des progrès (en quelque sorte) dans la compréhension de ses fondements neurobiologiques.

Dans une interview sur le Joie du pourquoi Podcast sorti en mai, le chercheur en neurosciences Anil Seth de l'Université du Sussex a décrit la conscience comme une sorte de «hallucination contrôlée,» en ce sens que notre expérience de la réalité émerge de nous. Aucun de nous ne peut savoir directement à quoi ressemble le monde ; en effet, chaque organisme (et individu) vit le monde différemment. Notre sens de la réalité est façonné par les informations sensorielles que nous captons et par la manière dont notre cerveau les organise et les construit dans notre conscience. En ce sens, toute notre expérience est une hallucination – mais c’est une hallucination contrôlée, la meilleure description par le cerveau de l’environnement immédiat et du monde plus vaste, basée sur ses souvenirs et d’autres informations codées.

Notre esprit intègre constamment de nouvelles informations externes et crée également ses propres images et récits internes. Comment distinguer la réalité du fantasme ? Cette année, des chercheurs ont découvert que le cerveau possède un «seuil de réalité» par rapport auquel il évalue en permanence les signaux traités. La plupart de nos images mentales ont un signal assez faible, et donc notre seuil de réalité les classe facilement dans la pile des « fausses ». Mais parfois, nos perceptions et notre imagination peuvent se mélanger, et si ces images sont suffisamment fortes, nous pouvons nous perdre, voire confondre nos hallucinations avec la vie réelle.

Comment la conscience émerge-t-elle dans l’esprit ? S’agit-il davantage de réflexion ou est-ce le produit d’expériences sensorielles ? Cette année, les résultats d'un collaboration contradictoire de haut niveau qui opposaient deux théories majeures de la conscience ont été annoncées. Au cours d'une période de cinq ans, deux équipes de chercheurs – l'une représentant la théorie de l'espace de travail neuronal global, axée sur la cognition, et l'autre, la théorie de l'information intégrée, axée sur la perception – ont co-créé puis mené des expériences visant à tester les prédictions de quelle théorie. étaient plus précis. Les résultats ont peut-être été décevants pour quiconque espérait des réponses définitives. Sur scène à New York, lors de la 26e réunion de l'Association pour l'étude scientifique de la conscience, les chercheurs ont reconnu la manière dont les expériences avaient remis en question les deux théories et mis en évidence leurs différences, mais ils ont refusé de déclarer l'une ou l'autre théorie gagnante. Cependant, la soirée n'a pas été totalement insatisfaisante : le neuroscientifique Christof Koch de l'Allen Institute for Brain Science a concédé un pari vieux de 25 ans avec le philosophe David Chalmers de l'Université de New York selon lequel les corrélats neuronaux de la conscience auraient déjà été identifiés. .

Il est souvent tenu pour acquis que la dépression est causée par un déséquilibre chimique dans le cerveau : plus précisément, un déficit chronique en sérotonine, un neurotransmetteur qui transmet les messages entre les cellules nerveuses. Pourtant, même si des millions de personnes déprimées dans le monde obtiennent un soulagement en prenant du Prozac et d’autres médicaments connus sous le nom d’inhibiteurs sélectifs du recaptage de la sérotonine, ou ISRS, sur la base de cette théorie, des décennies de recherche neuropsychiatrique n’ont pas réussi à valider les hypothèses de ce modèle. Le bourdonnement de la dissidence scientifique est devenu de plus en plus fort : une équipe internationale de scientifiques a examiné plus de 350 articles et n'a trouvé aucune preuve convaincante que des niveaux plus faibles de sérotonine sont associés à la dépression.

La prise de conscience que le déficit en sérotonine n’en est peut-être pas la cause oblige les chercheurs à repenser fondamentalement ce qu’est la dépression. Il est possible que les ISRS atténuent certains symptômes de la dépression en modifiant d’autres produits chimiques ou processus cérébraux qui sont des causes plus directes de la dépression. Il est également possible que ce que nous appelons « dépression » englobe une variété de troubles qui se manifestent par un ensemble similaire de symptômes, notamment la fatigue, l’apathie, des modifications de l’appétit, des pensées suicidaires et des problèmes de sommeil. Si tel est le cas, d’importantes recherches supplémentaires seront nécessaires pour comprendre cette complexité, différencier les types et les causes de la dépression et développer de meilleurs traitements.

La dépression peut être une expérience isolante. Mais cela se distingue de la solitude, un état émotionnel que les neuroscientifiques ont mieux défini ces dernières années. La solitude n'est pas la même chose que l'isolement social, qui est une mesure objective du nombre de relations dans lesquelles une personne se trouve : une personne peut entretenir de nombreuses relations et rester seule. Il ne s’agit pas non plus d’anxiété sociale, qui est une peur des relations ou de certaines expériences relationnelles.

Au lieu de cela, un nombre croissant de recherches en neurobiologie suggèrent que la solitude est un préjugé dans l'esprit vers une interprétation négative et auto-punissante des informations sociales. C’est comme si un signal de survie qui avait évolué pour nous pousser à renouer avec les personnes sur lesquelles nous comptons s’était court-circuité, créant une boucle auto-entretenue d’isolement ressenti. Les scientifiques n’ont pas encore trouvé de traitement médical contre la solitude, mais peut-être simplement comprendre que la boucle négative peut aider les personnes chroniquement seules à échapper au cycle et à trouver du réconfort dans leurs relations existantes ou dans de nouvelles.

D'où venons-nous et comment en sommes-nous arrivés là ? Ces questions intemporelles pourraient trouver des réponses de plusieurs manières, et elles ont poussé de nombreux biologistes à rechercher les origines des eucaryotes – la lignée de la vie vieille de 2 milliards d'années qui comprend tous les animaux, plantes et champignons, ainsi que de nombreux organismes unicellulaires. des créatures plus complexes que les bactéries.

La recherche du premier eucaryote a amené les chercheurs à extraire minutieusement des microbes rares des boues des fonds marins. Récemment, après six années de travail, un laboratoire européen est devenu le deuxième à réussir cultiver une des archées d'Asgard– un groupe d’organismes unicellulaires primitifs qui ont des génomes présentant des similitudes frappantes avec ceux des eucaryotes, et dont on pense qu’ils leur sont ancestraux. Les scientifiques espèrent que l’étude directe des cellules en laboratoire révélera de nouvelles informations sur l’évolution des eucaryotes et nous permettra de mieux comprendre nos origines.

Le parcours évolutif de ce premier eucaryote est entouré de mystère. Cette année, les scientifiques ont trouvé un moyen de combler un vide de 800 millions d'années dans les archives fossiles moléculaires entre l'apparition du premier eucaryote et celle de l'ancêtre le plus récent de tous les eucaryotes vivant aujourd'hui. Auparavant, lorsqu’ils recherchaient des informations sur les eucaryotes qui vivaient dans l’espace vide il y a environ 800 millions à 1.6 milliard d’années, les scientifiques ne parvenaient pas à trouver les fossiles moléculaires auxquels ils s’attendaient. Mais lorsqu’une équipe australienne a modifié son filtre de recherche pour rechercher des versions fossilisées de molécules plus primitives, elle les a trouvées en abondance. Les résultats ont révélé ce que les auteurs appellent « un monde perdu » d’eucaryotes qui aide à raconter l’histoire de l’évolution précoce de nos anciens ancêtres.

Les recherches menées au cours de la dernière décennie ont mieux caractérisé le microbiome – l’ensemble des micro-organismes qui vivent dans nos intestins et ailleurs dans notre corps – et les manières subtiles dont il influence notre santé. Cette année, les scientifiques ont révélé de manière très détaillée d’où proviennent nos microbiomes et comment ils évoluent tout au long de notre vie.

Sans surprise, les premières graines de notre microbiome proviennent généralement de la mère et sont transmises lors de l'accouchement et également lors de l'allaitement. Une recherche publiée cette année a révélé que les contributions d’une mère ne sont pas seulement des organismes microbiens entiers, mais aussi de petits extraits d'ADN appelés éléments génétiques mobiles. Tout au long de la première année de vie, ces éléments génétiques mobiles passent des bactéries de la mère à celles du bébé via un processus appelé transfert horizontal de gènes. Cette découverte a surpris les chercheurs, qui ne s’attendaient pas à ce que le haut degré de coévolution entre le microbiome de la mère et celui du bébé se poursuive aussi longtemps après la naissance.

Ce n’est pas la fin de l’histoire : le microbiome évolue tout au long de notre vie. La plus grande analyse jamais réalisée sur la transmission du microbiome humain, également publiée cette année, a révélé comment les microbiomes se mélangent et se réassemblent sur plusieurs décennies. Cela a clairement démontré que les organismes du microbiome se propagent entre les personnes, en particulier entre celles avec qui nous passons le plus de temps, comme les membres de la famille, les partenaires et les colocataires. Et l’étude a soulevé la possibilité intrigante que certaines maladies considérées comme non transmissibles pourraient en réalité être transmissibles, de manière parfois subtile, par la flore intestinale.

Bien avant l’invention des cadrans solaires, des montres et des horloges atomiques, les organismes ont développé des outils biologiques pour mesurer l’heure. Ils ont besoin d’horloges circadiennes internes capables de synchroniser leurs processus métaboliques avec le cycle du jour et de la nuit, ainsi que d’horloges semblables à des calendriers pour maintenir leurs processus de développement sur la bonne voie. Cette année, les chercheurs ont réalisé d’importants progrès dans la compréhension de ces deux phénomènes.

Une vague de recherche au cours des dernières années, rendue possible par les nouvelles technologies de cellules souches, a a proposé de nouvelles explications pour ce qu’on appelle le rythme de développement. Tous les vertébrés commencent leur vie comme un simple embryon, mais la vitesse à laquelle un embryon se développe et le moment où ses tissus mûrissent varient considérablement d'une espèce à l'autre et déterminent leur forme finale. Qu’est-ce qui contrôle le tic-tac de l’horloge du développement ? Cette année, une série d'expériences minutieuses menées dans des laboratoires du monde entier, axées sur différentes espèces et systèmes, ont mis en évidence une explication commune : les processus métaboliques fondamentaux, y compris les réactions biochimiques et l'expression des gènes qui les sous-tendent, donnent tous le ton. Ces processus métaboliques semblent être fondamentalement organisés par les mitochondries, qui pourraient très bien jouer le double rôle de chronométreur et de source d’énergie pour la cellule complexe.

Alors que ces chercheurs étaient dispersés à travers le monde, de nouveaux travaux sur l'horloge circadienne ont été réalisés dans le laboratoire d'un seul scientifique : la biochimiste Carrie Partch de l'Université de Californie à Santa Cruz. Partch est animé par une obsession unique non seulement pour les étapes de base de l'horloge, mais aussi pour la danse complexe que les protéines d'horloge fonctionnent au fur et à mesure de leur construction, de leur interaction et de leur dégradation. Comme tout horloger, elle ne se contente pas de savoir ce que sont les engrenages et les rouages ​​: elle doit également comprendre comment ils s’emboîtent. En accordant une telle attention à un seul système au cours de sa carrière, elle a fait des découvertes sur la danse des protéines de l'horloge qui représentent des vérités plus larges, par exemple que les protéines non structurées, voire désordonnées, sont fondamentales pour les processus biologiques.

Un signe des progrès des neurosciences est qu’elles deviennent de plus en plus précises. Grâce à de nouveaux outils plus solidement fondés sur des données scientifiques solides, les scientifiques peuvent désormais concentrer leur attention sur la définition des particularités de chaque cellule cérébrale. Cette année, ils localisé la carte sociale de chauves-souris, qui s’est avéré être superposé à la carte de leur environnement physique – les mêmes cellules cérébrales exactes de l’hippocampe codent pour plusieurs types d’informations environnementales. D’autres chercheurs semblent avoir résolu un débat vieux de 30 ans sur la question de savoir si certaines cellules gliales du cerveau – historiquement considérées comme à peine plus qu’un simple rembourrage pour les neurones les plus prestigieux – peuvent stimuler les signaux électriques. Une équipe de neuroscientifiques et de chercheurs cliniciens, aidée par des patients épileptiques à qui on a implanté des électrodes pour améliorer leurs soins médicaux, a découvert que le cerveau a différents systèmes pour représenter des petits et des grands nombres. Et pour la toute première fois, des chercheurs ont visualisé en trois dimensions comment un récepteur olfactif s'accroche à une molécule odorante — une étape importante dans la compréhension de la manière dont le nez et le cerveau peuvent intercepter les produits chimiques en suspension dans l'air et obtenir des informations sensorielles cruciales sur l'environnement.