Το Έτος στη Βιολογία

Όσον αφορά την επιλογή της μεγαλύτερης ιστορίας φέτος στις βιοεπιστήμες, δεν υπάρχει πραγματικά ανταγωνισμός. Αυτό θα το θυμόμαστε πάντα ως τη χρονιά που εξερράγη η πανδημία COVID-19. Με περίπου 78 εκατομμύρια επιβεβαιωμένα κρούσματα παγκοσμίως, ο νέος κορωνοϊός, SARS-CoV-2, έχει προκαλέσει άμεσα περισσότερους από 1,7 εκατομμύρια θανάτους, έχει πλήξει την παγκόσμια οικονομία, έχει εξαλείψει όλες τις δημόσιες συγκεντρώσεις και κοινωνικές εκδηλώσεις, έχει αναγκάσει έναν μετασχηματισμό στον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι μαθαίνουν και εργάζονται , και με κάποιο τρόπο έκανε τη χρήση μάσκας σε πολιτική πράξη. Επιδημιολογικές έννοιες όπως «ανοσία αγέλης» και «μετάδοση αερολύματος» αποτελούν πλέον τροφή για περιστασιακές συνομιλίες.

Όσο ζοφερά ήταν τα γεγονότα, ωστόσο, η επιστήμη έχει επιδειχθεί αξιοσημείωτη. Μεγάλο μέρος της έχει γίνει έρευνα για τον COVID-19 και άλλους ιούς ή για τις ανοσολογικές αποκρίσεις του σώματος σε εισβολές τέτοιων παθογόνων μικροοργανισμών. Σχετικά λίγα ήταν γνωστά για τον SARS-CoV-2 στις αρχές της πανδημίας - πολλά από αυτά που πιστεύαμε για αυτόν βασίστηκαν στην εμπειρία με άλλους κοροναϊούς, συχνά σε ζώα, καθώς και με τον ιό HIV και τον ιό Έμπολα. Ωστόσο, οι μελέτες σχετικά με το SARS-CoV-2 συσσωρεύτηκαν γρήγορα, πολλές από τις οποίες εστιάζουν στην πρωτεΐνη «ακίδα» στην επιφάνεια του ιού ως πιθανό στόχο για εμβόλια. Η εντυπωσιακή ταχύτητα με την οποία έχουν αναπτυχθεί νέα εμβόλια κατά του κορωνοϊού οφείλει πολλά σε αυτήν την εκρηκτική δουλειά.

Σημειώθηκε πρόοδος και σε άλλα επιστημονικά μέτωπα, πολλά από τα οποία παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το Quanta αναγνώστες. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα «βαθιάς μάθησης» αποδεικνύονται χρήσιμα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες (παρόλο που η υπολογιστική πολυπλοκότητα του εγκεφάλου μπορεί επίσης να είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες). Οι μικροβιακοί οικολόγοι έμειναν έκπληκτοι όταν βρήκαν κύτταρα μέσα σε βασάλτη πολύ κάτω από τον πυθμένα του ωκεανού που έχουν επιβιώσει για ίσως περισσότερα από 100 εκατομμύρια χρόνια. Και αν έχετε χάσει τον ύπνο σας λόγω των πρόσφατων γεγονότων στις ειδήσεις, η επιστήμη έμαθε επιτέλους γιατί αυτό είναι τόσο κακό και για εσάς.

Αντιμετώπιση της πανδημίας COVID-19

Καθώς ο COVID-19 σάρωσε σε όλο τον κόσμο, πολιτικοί, αξιωματούχοι δημόσιας υγείας και μέσα ενημέρωσης ήταν ξέφρενοι με ερωτήσεις σχετικά με το πόσο κακό θα ήταν και τι πρέπει να κάνουν οι κοινωνίες και τα άτομα για να περιορίσουν την εξάπλωσή του. Στις αρχές της πανδημίας, μερικοί άνθρωποι έβγαλαν υπερβολικά ελπιδοφόρα συμπεράσματα σχετικά με ορισμένους πληθυσμούς που είναι πιο ανθεκτικοί στον κοροναϊό ή σχετικά με την ικανότητα της ανοσίας της αγέλης να ανακόψει την εξάπλωση χωρίς εμβόλιο. Αλλά η παλιομοδίτικη απομόνωση (συμπεριλαμβανομένης της κοινωνικής απόστασης) και η έρευνα για τα εμβόλια κατά του SARS-CoV-2 αποδείχθηκαν αναντικατάστατα. Ορισμένοι ερευνητές εικάζουν ακόμη και ότι τα εμβόλια για την άγρια ​​ζωή μπορεί να είναι η καλύτερη ελπίδα μας για τον περιορισμό των μελλοντικών πανδημιών. Και παρόλο που δεν αποτελεί παρηγοριά για τον τρομερό απολογισμό της πανδημίας, η έρευνα που επικεντρώνεται στον COVID-19 έχει αποφέρει πιο γενικές γνώσεις σχετικά με τα γενετικά στοιχεία της σοβαρότητας της νόσου και παραβλέπονται πτυχές της ανοσολογικής μας άμυνας.

Κατανόηση της υπολογιστικής δύναμης του εγκεφάλου

Ο εγκέφαλος περιγράφεται συχνά ως οργανικός υπολογιστής, αλλά αυτή η σύγκριση αναλύεται στις λεπτομέρειες. Οι ψηφιακοί υπολογιστές αξιοποιούν την ισχύ εκατοντάδων εκατομμυρίων αν όχι δισεκατομμυρίων τρανζίστορ που είναι το καθένα βασικά ένας απλός διακόπτης on-off. Σε έναν ανθρώπινο εγκέφαλο, τα ανάλογα συστατικά είναι οι 100 δισεκατομμύρια αλληλεπιδρώντες νευρώνες, οι οποίοι κάθε άλλο παρά απλοί είναι, όπως δείχνει η συνεχής έρευνα. Οι ερευνητές καταλαβαίνουν ότι ακόμη και οι δενδριτικοί βραχίονες των νευρώνων φαίνονται ικανοί να επεξεργάζονται πληροφορίες, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε νευρώνας μπορεί να μοιάζει περισσότερο με έναν μικρό υπολογιστή από μόνος του. Αλλά η αναλογία με τους υπολογιστές έχει τις χρήσεις της. Όταν τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα ικανά για «βαθιά μάθηση» αντιμετωπίζουν προβλήματα αντίληψης, αυτά που λειτουργούν καλύτερα έχουν οργανωτικές δομές εντυπωσιακά παρόμοιες με εκείνες του ζωντανού εγκεφάλου. Και οι δύο τύποι συστημάτων φαίνεται να συγκλίνουν στις ίδιες υπολογιστικές λύσεις, πράγμα που μπορεί να σημαίνει ότι τα βαθιά δίκτυα θα μπορούσαν να είναι όλο και πιο χρήσιμα εργαλεία για την αποκρυπτογράφηση των μυστικών του εγκεφάλου.

Γιατί είναι ζωτικής σημασίας ο ύπνος

«Ο ύπνος… πλέκει το κουρελιασμένο μανίκι της φροντίδας», είπε ο Μάκβεθ, αλλά αυτή η περιγραφή αναφέρεται στην πραγματική σημασία του ύπνου:Στερούμενοι από αυτόν, εμείς και άλλα ζώα πεθαίνουμε. Περισσότερο από έναν αιώνα εξέτασης απέτυχε να εξηγήσει γιατί η έλλειψη ύπνου είναι τόσο θανατηφόρα. Φέτος, βρέθηκε τελικά μια απάντηση — όχι μέσα στον εγκέφαλο, όπως αναμενόταν, αλλά μέσα στο έντερο. Πειραματιζόμενοι με μύγες φρούτων, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η αϋπνία πυροδοτεί το σχηματισμό ελεύθερων ριζών στα έντερα, οι οποίες μπορεί να δημιουργήσουν μια σειρά από άλλα προβλήματα στο σώμα. Περιέργως, τα αντιοξειδωτικά βοήθησαν στην πρόληψη της βλάβης και απελευθέρωσαν τις μύγες από την ανάγκη για ύπνο, αν και θα ήταν επικίνδυνα πρόωρο για οποιονδήποτε άνθρωπο να το δοκιμάσει ως θεραπεία για τη δική του αϋπνία.

Η προέλευση και οι έξοδοι των γονιδίων

Οι τυχαίες μεταλλάξεις και οι διπλασιασμοί του DNA μπορούν να δημιουργήσουν νέες παραλλαγές στα παλιά γονίδια, αλλά για πολλές δεκαετίες οι βιολόγοι είχαν μόνο την πιο θολή κατανόηση του πώς πραγματικά νέα γονίδια μπορούσαν να εξελιχθούν και να αποκτήσουν λειτουργίες. Πολλοί επιστήμονες ήταν δύσπιστοι ότι ήταν ακόμη δυνατό, δεδομένης της γενετικής πολυπλοκότητας της προηγμένης ζωής. Πιο πρόσφατες ανακαλύψεις, ωστόσο, αποδεικνύουν ότι νέα γονίδια εξελίσσονται συστηματικά στα τμήματα του γονιδιώματος που συχνά χλευάζονται ως «άχρηστο DNA». Επιπλέον, αυτά τα νέα γονίδια φαίνονται να είναι εξίσου απαραίτητα για την ανάπτυξη και την επιβίωση των οργανισμών, όπως είναι και τα αρχαιότερα γονίδια, εν μέρει επειδή οι συγκρούσεις μεταξύ των ειδών και εντός των οργανισμών απειλούν συνεχώς να κάνουν τις παλαιότερες γενετικές λύσεις παρωχημένες. Παραδόξως, τα πρόσθετα γονίδια δεν κάνουν απαραίτητα τους οργανισμούς πιο πολύπλοκους:Μελέτες έχουν βρει, στην πραγματικότητα, ότι σε πολλές γενεαλογίες ειδών, τα πλάσματα έγιναν πιο περίπλοκα κατά την απόρριψη γονιδίων.

Βιολογική ατομικότητα και συμβίωση

Η ατομικότητα είναι μια ολισθηρή έννοια στη βιολογία, επειδή τόσοι πολλοί οργανισμοί εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό ο ένας από τον άλλο. Μια αποικία μυρμηγκιών, για παράδειγμα, κατανοείται καλύτερα ως μια κοινωνία μεμονωμένων εντόμων ή ως μια βιολογική συλλογικότητα με τη δική της ταυτότητα; Ωστόσο, το 2020, οι επιστήμονες σημείωσαν σημαντική πρόοδο στην κατανόηση αυτής της ισορροπίας μεταξύ αλληλεξάρτησης και ατομικότητας στη βιολογία. Οπλισμένοι με τη θεωρία της πληροφορίας, ορισμένοι ερευνητές βρήκαν αντικειμενικά κριτήρια για τον καθορισμό των βαθμών ατομικότητας στους οργανισμούς. Οι εξελικτικοί βιολόγοι συνδύασαν πώς δημιουργήθηκε μια ουσιαστική συμβιωτική συνεργασία μεταξύ των μυρμηγκιών ξυλουργών και των βακτηρίων που ζουν στα έντερά τους πριν από 51 εκατομμύρια χρόνια. Από την άλλη πλευρά, άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν πώς ορισμένα ζώα επιβιώνουν χωρίς καθόλου μόνιμα μικρόβια στα έντερά τους. Και οι επιστήμονες που μελετούν τις αμοιβάδες από μούχλα έδειξαν ότι μερικές φορές οι «μοναχικοί» που φαινομενικά δεν συμβαδίζουν με τους συναδέλφους τους μπορούν να εξυπηρετήσουν έναν μυστικό σκοπό για τη συλλογική ομάδα.

Μέρος αυτού που κάνει τα άτομα μοναδικά είναι οι συνδυασμοί γονιδίων και περιβαλλοντικών επιρροών που τα διαμορφώνουν - φύση και ανατροφή. Αλλά οι βιολόγοι συνειδητοποιούν όλο και περισσότερο ότι η τυχαία στατιστική διακύμανση ή ο «θόρυβος» είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας. Η εξέλιξη φαίνεται να έχει διαμορφώσει αναπτυξιακά προγράμματα για την αξιοποίηση του θορύβου ως φυσικής γεννήτριας ποικιλομορφίας.

A Deep Domain for Life at the Limits

Η μικροβιακή ζωή έχει βρεθεί να ευδοκιμεί πολύ κάτω από τη γη, σε βραστές θερμές πηγές και μέσα σε ιζήματα στον πυθμένα της θάλασσας - αποτελέσματα που κάνουν πολλούς επιστήμονες να αισιοδοξούν για τις προοπτικές ζωής σε άλλους πλανήτες και φεγγάρια στο ηλιακό μας σύστημα. Φέτος, ζωντανά κύτταρα βρέθηκαν σε ένα άλλο από τα λιγότερο φιλόξενα περιβάλλοντα στη Γη, δείχνοντας πόσο επιμελώς μπορεί να συνεχιστεί η ζωή. Οι βιολόγοι εξήγαγαν ζωντανά κύτταρα από το εσωτερικό των βασαλτικών πετρωμάτων που είχαν απομονωθεί από το ηλιακό φως και τα θρεπτικά συστατικά για ίσως εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Τα κύτταρα ζουν με τόσο αργό ρυθμό που μπορεί να διαιρούνται μόνο μία φορά στα 1.000 χρόνια. Περαιτέρω εργασία έδειξε ότι ορισμένα από αυτά τα κύτταρα βρίσκονται σε κατάσταση αναστολής κινούμενης εικόνας τόσο ακραία που καταναλώνουν σχεδόν την απόλυτη ελάχιστη ποσότητα ενέργειας για επιβίωση. Ίσως αυτό είναι το πιο εμπνευσμένο μάθημα της βιολογίας για το 2020:Η ζωή διαρκεί.