Revoluties in de biologische wetenschappen kunnen vele vormen aannemen. Soms komen ze voort uit het gebruik van een nieuw instrument of de uitvinding van een radicale theorie die plotseling zoveel nieuwe wegen voor onderzoek opent dat het duizelingwekkend kan aanvoelen. Soms krijgen ze langzaam vorm, door de langzame opeenstapeling van onderzoeken, die elk jaren van nauwgezet werk vertegenwoordigen, die gezamenlijk de heersende wijsheid wegnemen en een sterker, beter intellectueel raamwerk onthullen. Beide soorten revoluties ontketenen een lawine van nieuwe ideeën en inzichten die ons begrip van hoe het leven werkt verbeteren.

Het afgelopen jaar is hieraan geen gebrek geweest. Onderzoekers bijvoorbeeld met succes gekweekte “embryomodellen” – in het laboratorium gekweekte kunstmatige embryo’s die rijpen als echte – die een verder gevorderd ontwikkelingsstadium bereikten dan ooit tevoren. Die prestatie zou uiteindelijk waardevolle nieuwe inzichten kunnen opleveren in de manier waarop menselijke foetussen groeien, hoewel discussie over de ethische status van die modellen ook waarschijnlijk lijkt. Ondertussen zijn onderzoekers in de wereld van de neurowetenschappen die depressie bestuderen, dit blijven doen afstand nemen van de theorie die decennialang een groot deel van het onderzoek naar en de farmaceutische behandeling van die ziekte heeft geleid.

Maar bij dit soort biologische revoluties is het menselijk vernuft betrokken, waarbij onderzoekers in de levenswetenschappen tot nieuwe inzichten komen. Revoluties vinden ook plaats in de biologie zelf – wanneer de evolutie organismen in staat heeft gesteld iets ongekends te doen. Biologen hebben onlangs nog veel meer voorbeelden van dit soort doorbraken ontdekt.

Het bijhouden van de tijd is bijvoorbeeld een functie die essentieel is voor alle levende wezens, van micro-organismen die hun tijd afwachten tot de volgende celdeling, tot embryo's die ledematen en organen laten groeien, tot complexere beestjes die het verloop van dag en nacht volgen. Teams van onderzoekers die in laboratoria over de hele wereld aan het werk zijn, hebben onlangs ontdekt dat enkele belangrijke kenmerken van tijdwaarneming dat wel zijn gebonden aan het cellulaire metabolisme – wat betekent dat het organel dat het mitochondrion wordt genoemd, zowel een generator als een klok is. Andere aspecten van tijdwaarneming worden gemeten door de voortgang van een moleculair ballet waarin gespecialiseerde eiwitten samen ronddraaien voordat ze weer scheiden.

Onderzoekers hopen ook binnenkort belangrijke ontdekkingen te doen nu ze enkele van de primitieve, lang verloren gewaande cellen kunnen kweken, genaamd Asgard archaea. Een miljard jaar geleden nam Asgard archaea (of cellen die veel op hen lijken) de schandalige stap om permanente partnerschappen aan te gaan met de voorouders van de mitochondriën, waardoor de eerste complexe cellen ontstonden. De geheimen van hoe en waarom die biologische doorbraak plaatsvond, liggen mogelijk op de loer in die exotische celculturen. Ondertussen onderzoeken andere onderzoekers de “gritkorst”-microben die in de beruchte dorre Atacama-woestijn van Chili leven, op zoek naar aanwijzingen over hoe de eerste op het land levende cellen overleefden.

Er werden in 2023 genoeg prachtige biologische innovaties ontdekt om een ​​ware parade te vormen: plankton dat versterkten hun fotosynthetische vermogens door een van hun membranen opnieuw te gebruiken, en ondergrondse microben die dat hebben geleerd zuurstof maken in totale duisternis. Een immunologische truc dat baby's in de baarmoeder beschermt, en a neurologische truc waarmee de hersenen sociale relaties zoals fysieke landschappen in kaart kunnen brengen. Een eenvoudige mutatie die mieren transformeerde in complexe sociale parasieten vrijwel 's nachts, en a strategische sloop van DNA die wormen gebruiken om hun genoom te beschermen.

Quanta dit jaar hebben we al deze en nog veel meer opgetekend, en als er de komende jaren nieuwe doorbraken in de fundamentele biologie aan het licht komen, zullen wij er ook voor hen zijn.

Op dezelfde manier waarop natuurwetenschappers eenvoudige modelsystemen bouwen als springplank naar het begrijpen van complexere verschijnselen, geven sommige biologen er de voorkeur aan om te leren hoe het leven werkt door eenvoudiger versies te creëren. Dit jaar hebben ze op twee fronten vooruitgang geboekt: op grote schaal, bij het creëren van ‘embryomodellen’, en op kleine schaal, bij het bestuderen van de meest minimaal mogelijke cellen.

Embryomodellen, of synthetische embryo's, zijn laboratoriumproducten van stamcellen die ertoe kunnen worden aangezet om tijdens de vroege ontwikkelingsstadia getrouw te groeien, hoewel ze zichzelf beëindigen voordat ze het volledige embryonale ontwikkelingsproces opnieuw uitvoeren. Ze werden bedacht als potentiële instrumenten voor de ethische experimentele studie van de menselijke ontwikkeling. Dit jaar hebben onderzoeksgroepen in Israël en Groot-Brittannië aangetoond dat dit wel mogelijk is embryomodellen verzorgen helemaal tot (en mogelijk voorbij) het stadium waarin onderzoek op levende menselijke embryo's wettelijk is toegestaan. Onderzoekers in China hebben zelfs kortstondig zwangerschappen geïnitieerd bij apen met embryomodellen. Deze successen worden beschouwd als belangrijke doorbraken voor een techniek die wetenschappers zou kunnen helpen belangrijke vragen over de prenatale ontwikkeling te beantwoorden, en die uiteindelijk hun vruchten zouden kunnen afwerpen bij het voorkomen van miskramen en geboorteafwijkingen. Tegelijkertijd wakkerden de experimenten de ethische argumenten over deze onderzoekslijn opnieuw aan, aangezien de embryomodellen naarmate de ontwikkeling geavanceerder wordt, ook intrinsiek meer bescherming kunnen lijken te verdienen.

Synthetisch leven is niet altijd ethisch controversieel. Dit jaar onderzoekers testte de grenzen van “minimale” cellen, eenvoudige organismen die zijn afgeleid van bacteriën die zijn uitgekleed tot op hun genomische botten. Deze minimale cellen hebben de middelen om zich voort te planten, maar alle genen die verder niet essentieel zijn, zijn verwijderd. Als belangrijke bevestiging van hoe natuurlijk en levensecht de minimale cellen zijn, ontdekten onderzoekers dat dit minimale genoom in staat was te evolueren en zich aan te passen. Na 300 dagen groei en natuurlijke selectie in het laboratorium konden de minimale cellen met succes concurreren met de voorouderlijke bacteriën waarvan ze waren afgeleid. De bevindingen toonden de robuustheid van de levensregels aan: zelfs nadat ze van bijna elke genetische hulpbron waren beroofd, konden de minimale cellen de instrumenten van natuurlijke selectie gebruiken om zich te herstellen tot meer succesvolle levensvormen.

Bewustzijn is het gevoel van zijn – het bewustzijn van het hebben van een uniek zelf, een beeld van de werkelijkheid en een plek in de wereld. Het is lange tijd het terrein van filosofen geweest, maar de laatste tijd hebben wetenschappers (in zekere zin) vooruitgang geboekt in het begrijpen van de neurobiologische basis ervan.

In een interview op de Vreugde van waarom podcast die in mei werd uitgebracht, beschreef neurowetenschappelijk onderzoeker Anil Seth van de Universiteit van Sussex het bewustzijn als een soort ‘gecontroleerde hallucinatie,' in die zin dat onze ervaring van de werkelijkheid van binnenuit ons naar voren komt. Niemand van ons kan direct weten hoe de wereld eruit ziet; Sterker nog, elk organisme (en individu) ervaart de wereld anders. Ons realiteitsgevoel wordt gevormd door de zintuiglijke informatie die we tot ons nemen en de manier waarop onze hersenen deze organiseren en construeren in ons bewustzijn. In die zin is onze hele ervaring een hallucinatie – maar het is een gecontroleerde hallucinatie, de beste schatting van de hersenen van de directe omgeving en de grotere wereld, gebaseerd op herinneringen en andere gecodeerde informatie.

Onze geest neemt voortdurend nieuwe externe informatie op en creëert ook zijn eigen interne beelden en verhalen. Hoe kunnen we werkelijkheid van fantasie onderscheiden? Dit jaar ontdekten onderzoekers dat de hersenen een “realiteitsdrempel'waartegen het voortdurend verwerkte signalen evalueert. De meeste van onze mentale beelden hebben een vrij zwak signaal, en daarom worden ze door onze realiteitsdrempel gemakkelijk op de stapel ‘nep’ geplaatst. Maar soms kunnen onze percepties en verbeeldingskracht zich vermengen, en als die beelden sterk genoeg zijn, kunnen we in de war raken en onze hallucinaties mogelijk voor het echte leven aanzien.

Hoe ontstaat bewustzijn in de geest? Gaat het meer om het denken, of is het een product van zintuiglijke ervaringen? Dit jaar zijn de resultaten van a spraakmakende vijandige samenwerking waarin twee belangrijke bewustzijnstheorieën tegenover elkaar werden geplaatst. In de loop van vijf jaar hebben twee teams van onderzoekers – de ene vertegenwoordigt de theorie van de mondiale neuronale werkruimte, die zich richt op cognitie, en de andere die de geïntegreerde informatietheorie vertegenwoordigt, die zich richt op perceptie – samen experimenten gecreëerd en vervolgens geleid, gericht op het testen van de voorspellingen van welke theorie. waren nauwkeuriger. De resultaten kunnen een afknapper zijn geweest voor iedereen die op definitieve antwoorden hoopte. Op het podium in New York City, tijdens de 26e bijeenkomst van de Association for the Scientific Study of Consciousness, erkenden de onderzoekers de manieren waarop de experimenten beide theorieën hadden uitgedaagd en de verschillen ertussen benadrukten, maar ze weigerden een van beide theorieën tot winnaar uit te roepen. De avond was echter niet geheel onbevredigend: de neurowetenschapper Christof Koch van het Allen Institute for Brain Science ging een 25-jarige weddenschap aan met de filosoof David Chalmers van de New York University dat de neurale correlaten van het bewustzijn inmiddels zouden zijn geïdentificeerd. .

Het wordt vaak als vanzelfsprekend beschouwd dat depressie wordt veroorzaakt door een chemische onbalans in de hersenen: met name een chronisch tekort aan serotonine, een neurotransmitter die boodschappen tussen zenuwcellen overbrengt. Maar ook al krijgen miljoenen depressieve mensen over de hele wereld verlichting door het gebruik van Prozac en de andere medicijnen die bekend staan ​​als selectieve serotonineheropnameremmers, of SSRI’s, op basis van die theorie, is decennialang neuropsychiatrisch onderzoek er niet in geslaagd de aannames van dat model te valideren. Het gezoem van wetenschappelijke dissidenten is luider geworden: een internationaal team van wetenschappers heeft meer dan 350 artikelen gescreend en geen overtuigend bewijs gevonden dat lagere niveaus van serotonine geassocieerd zijn met depressie.

Het besef dat een tekort aan serotonine misschien niet de oorzaak is, dwingt onderzoekers om fundamenteel te heroverwegen wat depressie is. Het is mogelijk dat SSRI’s sommige symptomen van depressie verlichten door andere chemicaliën of processen in de hersenen te veranderen die directere oorzaken van depressie zijn. Het is ook mogelijk dat wat wij ‘depressie’ noemen een verscheidenheid aan stoornissen omvat die zich manifesteren met een vergelijkbare reeks symptomen, waaronder vermoeidheid, apathie, veranderingen in de eetlust, zelfmoordgedachten en slaapproblemen. Als dat het geval is, zal er aanzienlijk aanvullend onderzoek nodig zijn om deze complexiteit te ontrafelen – om de soorten en oorzaken van depressie te onderscheiden en om betere behandelingen te ontwikkelen.

Depressie kan een isolerende ervaring zijn. Maar het is iets anders dan eenzaamheid, een emotionele toestand die neurowetenschappers de afgelopen jaren beter hebben gedefinieerd. Eenzaamheid is niet hetzelfde als sociaal isolement, wat een objectieve maatstaf is voor het aantal relaties waarin iemand zich bevindt: iemand kan veel relaties hebben en toch eenzaam zijn. Het is ook geen sociale angst, een angst voor relaties of voor bepaalde relationele ervaringen.

In plaats daarvan suggereert een groeiend aantal neurobiologisch onderzoek dat eenzaamheid is een vooroordeel in de geest in de richting van het interpreteren van sociale informatie op een negatieve, zelfbestraffende manier. Het is alsof een overlevingssignaal dat is ontwikkeld om ons aan te sporen opnieuw contact te maken met de mensen van wie we afhankelijk zijn, is kortgesloten, waardoor een zichzelf in stand houdende lus van gevoelde isolatie is ontstaan. Wetenschappers hebben nog geen medische behandeling voor eenzaamheid gevonden, maar misschien kan het simpelweg begrijpen van die negatieve cirkel mensen die chronisch eenzaam zijn helpen om aan de cyclus te ontsnappen en troost te vinden in hun bestaande of nieuwe verbindingen.

Waar komen we vandaan en hoe zijn we hier terechtgekomen? Deze tijdloze vragen zouden op vele manieren kunnen worden beantwoord, en ze hebben talloze biologen ertoe aangezet om op zoek te gaan naar de oorsprong van de eukaryoten – de twee miljard jaar oude levenslijn die alle dieren, planten en schimmels en vele eencellige dieren omvat. wezens die complexer zijn dan bacteriën.

Bij de zoektocht naar de eerste eukaryoot proberen onderzoekers met veel moeite zeldzame microben uit het slib van de zeebodem te lokken. Onlangs, na zes jaar werk, werd een Europees laboratorium pas het tweede met succes kweek een van de Asgard archaea– een groep primitieve eencellige organismen met genomen die frappante gelijkenissen vertonen met die van eukaryoten, en waarvan men denkt dat ze voorouderlijk zijn. Wetenschappers hopen dat het rechtstreeks bestuderen van de cellen in het laboratorium nieuwe informatie zal onthullen over hoe eukaryoten evolueerden en ons dichter bij het begrip van onze oorsprong zal brengen.

De evolutionaire reis van die eerste eukaryoot is gehuld in mysterie. Dit jaar hebben wetenschappers een manier gevonden om dat te doen een gat van 800 miljoen jaar opvullen in het moleculaire fossielenbestand tussen het verschijnen van de vroegste eukaryoot en die van de meest recente voorouder van alle eukaryoten die vandaag de dag leven. Bij het zoeken naar informatie over eukaryoten die tussen ongeveer 800 miljoen en 1.6 miljard jaar geleden in de lege ruimte leefden, konden wetenschappers voorheen niet de moleculaire fossielen vinden die ze verwachtten. Maar toen een Australisch team hun zoekfilter aanpaste om te zoeken naar gefossiliseerde versies van primitievere moleculen, vonden ze die in overvloed. De bevindingen onthulden wat de auteurs ‘een verloren wereld’ van eukaryoten noemen, die het verhaal helpt vertellen van de vroege evolutionaire geschiedenis van onze oude voorouders.

Onderzoek van de afgelopen tien jaar heeft het microbioom – de verzameling micro-organismen die in onze ingewanden en elders in ons lichaam leven – en de subtiele manieren waarop het onze gezondheid beïnvloedt beter gekarakteriseerd. Dit jaar hebben wetenschappers tot in de kleinste details onthuld waar onze microbiomen vandaan komen en hoe ze gedurende ons leven evolueren.

Het is niet verwonderlijk dat de eerste zaden van ons microbioom meestal afkomstig zijn van de moeder – overgedragen tijdens de geboorte en ook via borstvoeding. Uit onderzoek dat dit jaar werd gepubliceerd, bleek dat de bijdragen van een moeder niet alleen bestaan ​​uit hele microbiële organismen, maar ook uit hele microbiële organismen kleine stukjes DNA zogenaamde mobiele genetische elementen. Gedurende het eerste levensjaar springen deze mobiele genetische elementen van de bacteriën van de moeder naar die van de baby via een proces dat horizontale genoverdracht wordt genoemd. De ontdekking verraste onderzoekers, die niet hadden verwacht dat de hoge mate van co-evolutie tussen het microbioom van de moeder en dat van de baby zo lang na de geboorte zou voortduren.

Dat is niet het einde van het verhaal: het microbioom evolueert gedurende ons leven. De grootste analyse tot nu toe van de overdracht van het menselijk microbioom, eveneens dit jaar gepubliceerd, onthulde hoe microbiomen schudden zich en komen weer samen gedurende vele decennia. Het leverde duidelijk bewijs op dat microbioomorganismen zich verspreiden tussen mensen, vooral degenen met wie we de meeste tijd doorbrengen, zoals familieleden, partners en huisgenoten. En de studie bracht de intrigerende mogelijkheid naar voren dat sommige ziekten die als niet-overdraagbaar worden beschouwd, feitelijk, op soms subtiele manieren, via de darmflora kunnen worden overgedragen.

Eeuwen vóór de uitvinding van zonnewijzers, horloges en atoomklokken ontwikkelden organismen biologische hulpmiddelen om de tijd bij te houden. Ze hebben interne circadiane klokken nodig die hun metabolische processen synchroon kunnen houden met de cyclus van dag en nacht, en ook klokken die lijken op kalenders om hun ontwikkelingsprocessen op het goede spoor te houden. Dit jaar hebben onderzoekers belangrijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van beide.

Een golf van onderzoek van de afgelopen jaren, mogelijk gemaakt door nieuwe stamceltechnologieën, heeft dat wel gedaan bood nieuwe verklaringen voor wat bekend staat als ontwikkelingstempo. Alle gewervelde dieren beginnen hun leven als een eenvoudig embryo – maar de snelheid waarmee een embryo zich ontwikkelt en het tijdstip waarop de weefsels volwassen worden, varieert dramatisch tussen soorten en bepaalt hun uiteindelijke vorm. Wat controleert het tikken van de ontwikkelingsklok? Dit jaar wees een reeks zorgvuldige experimenten in laboratoria over de hele wereld, gericht op verschillende soorten en systemen, op een gemeenschappelijke verklaring: dat fundamentele metabolische processen, inclusief biochemische reacties en de genexpressie die daaraan ten grondslag ligt, allemaal het tempo bepalen. Deze metabolische processen lijken fundamenteel te worden georganiseerd door de mitochondriën, die heel goed een dubbele rol kunnen vervullen als tijdwaarnemer en krachtbron van de complexe cel.

Hoewel deze onderzoekers over de hele wereld verspreid waren, is er nieuw werk aan de circadiane klok gedaan in het laboratorium van één enkele wetenschapper: de biochemicus Carrie Partch aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. Partch wordt gedreven door een unieke obsessie, niet alleen met de basisstappen van de klok, maar ook met de ingewikkelde dans dat klokeiwitten presteren terwijl ze worden gebouwd, op elkaar inwerken en afbreken. Zoals elke horlogemaker is ze er niet tevreden mee te weten wat de tandwielen en tandwielen zijn; ze moet ook begrijpen hoe ze in elkaar passen. Door in de loop van haar carrière zoveel aandacht te besteden aan één enkel systeem, heeft ze ontdekkingen gedaan over de dans van klokeiwitten die bredere waarheden vertegenwoordigen, bijvoorbeeld dat ongestructureerde of zelfs ongeordende eiwitten fundamenteel zijn voor biologische processen.

Een teken van de vooruitgang in de neurowetenschappen is dat deze voortdurend nauwkeuriger wordt. Met behulp van nieuwe hulpmiddelen die steviger verankerd zijn in gedegen wetenschap, kunnen wetenschappers hun aandacht nu richten op het definiëren van de eigenaardigheden van individuele hersencellen. Dit jaar zij de sociale kaart gevonden van vleermuizen, die bovenop de vleermuizenkaart van hun fysieke omgeving bleken te liggen – exact dezelfde hersencellen in de hippocampus coderen voor meerdere soorten omgevingsinformatie. Andere onderzoekers lijken een dertig jaar durend debat te hebben opgelost over de vraag of sommige gliacellen in de hersenen – historisch gezien nauwelijks meer dan opvulling voor de meer prestigieuze neuronen – kunnen zijn. elektrische signalen stimuleren. Een team van neurowetenschappers en klinische onderzoekers, geholpen door epilepsiepatiënten bij wie elektroden werden geïmplanteerd om hun medische zorg te verbeteren, ontdekte dat de hersenen verschillende systemen voor het weergeven van kleine en grote getallen. En voor de allereerste keer visualiseerden onderzoekers in drie dimensies hoe een reukreceptor werkt grijpt zich vast aan een geurmolecuul – een belangrijke stap in het begrijpen hoe de neus en de hersenen chemicaliën in de lucht kunnen onderscheppen en cruciale sensorische informatie over de omgeving kunnen verkrijgen.