Биология 2024: РНК даде нови отговори, дърветата могат да смятат, а раците имат съзнание

Науката за живота също много ни изненада през изминалите 12 месеца.

Сред научните открития особено вълнуващи са тези, които опровергават общоприетите представи – когато учените, понякога съвсем случайно, обръщат с главата надолу това, което е изглеждало непоклатимо.

Да вземем например имунната система: в продължение на десетилетия биолозите вярваха, че тя се регулира сама без участието на мозъка. Но тази година бе открито, че една невронна верига в мозъчния ствол може да засилва и отслабва производството на медиатори на възпалението. Интересно е, че това откритие е направено в лаборатория, която изучава вкусовите усещания, а не имунологията.

Направени са и други важни стъпки в разбирането на структурата на живота. В науката навлязоха нови инструменти, включително изкуственият интелект, така че напредъкът постепенно се ускорява до безпрецедентна скорост.

Появиха се нови начини за изучаване на многоклетъчните организми. Специалистите вече се опитват да разберат не само откъде се е появило многоклетъчното, но и защо някои същества са останали едноклетъчни. Освен това науката вече има по-ясна представа за това как малките промени в молекулите влияят на еволюцията.

Биолозите посрещат с радост революцията на изкуствения интелект

През 2024 г. не бихте могли да сте в крак с високопрофилните публикации за AlphaFold2 на Google DeepMind – невронна мрежа, която може точно да прогнозира триизмерната структура на сгънат протеин въз основа на неговата верига от аминокиселини. Биолозите провериха дали чрез нея могат да се открият нови лекарствени цели и психеделични молекули. ИИ моделът е помогнал за изучаването еволюцията на вирусите и за намирането на протеина, който свързва сперматозоида с яйцеклетката при оплождането. Ясно е, че връзката между биологията и компютърните науки е достигнала ново ниво.

През месец май Google DeepMind представи AlphaFold3 , който прогнозира формата на протеините при взаимодействието им с други молекули. А през октомври Нобеловата награда за химия беше присъдена на Джон Джъмпер и Демис Хасабис от Google DeepMind, създатели на AlphaFold2 , и Дейвид Бейкър от Вашингтонския университет.

Повратните точки на еволюцията

„Как стигнахме дотук?“ – биолозите много обичат този въпрос. Опитвайки се да намерят решение на ключовата загадка за произхода на всичко живо, те определят няколко повратни точки в историята на еволюцията.

Наскоро група учени от различни области проследи корените на целия съвременен живот до нашия общ прародител, като използва еволюционни дървовидни структури от гени и геноми. Тази древна клетка или група клетки е известна като LUCA (от „last universal common ancestor“ – последен универсален общ предшественик), от която са еволюирали всички живи същества.

Екипът оценява вероятността за съществуването на всеки от хилядите гени в LUCA. Оказа се, че това е била изненадващо сложна клетка: тя е обработвала водород и въглероден диоксид, имала е наченки на имунна система и най-вероятно е живяла в микробна общност (от която само тя е оцеляла). Проучването установи също, че LUCA е съществувала преди около 4,2 милиарда години – по-рано от очакваното.

Друг преломен момент (или по-скоро цяла поредица от моменти) е появата на многоклетъчността. Биологът Карл Симпсън свързва това събитие с период от историята на Земята, когато планетата е била изцяло покрита с лед. Забавно е, че тази епоха се нарича още „Земята на снежните топки“.

В друго изследване учените се опитват да разберат защо бактериите и другите прокариоти никога не са се превърнали в сложни многоклетъчни организми. Те смятат, че причината може да се дължи на някакъв процес на случайни промени в гените – генетичен дрейф .

Бактериите са се научили да живеят в прости многоклетъчни форми, например в колонии, но при археите това никога не се е случвало – докато тази година не беше открито, че ако просто се притиснат тези клетки, те образуват многоклетъчни структури, подобни на тъкани. А в Китай учените откриха вкаменелости на многоклетъчни еукариоти на възраст 1,6 милиарда години. Така че времето на появата на многоклетъчните еукариоти трябваше да бъде преместено далеч назад – преди 600 милиона години.

Разумът и възприемането на нечовешкото

Свикнали сме да възприемаме света по определен начин: виждаме с очите си, чуваме с ушите си и мислим с невероятно сложни органи, съставени от милиарди клетки. Другите организми също чувстват, възприемат и реагират на заобикалящия ги свят, но може да е трудно да си представим техните преживявания. Но какво ще стане, ако погледнем малко по-широко?

През април група биолози, когнитивни учени и философи подписаха декларация, която признава „феноменално съзнание“ при много повече животни, отколкото се смяташе досега: насекоми, раци, октоподи, риби, влечуги и земноводни. Едно същество с подобно съзнание може да изпитва болка, удоволствие или глад, но това не означава, че то има по-сложна мозъчна дейност като самосъзнание.

Растенията сами по себе си нямат съзнание, но понякога имат сложни задачи за изпълнение. Така например е доказано, че европейските букове са в състояние да определят най-дългия ден в годината. Всяка година, сякаш по часовников механизъм, дърветата по протежение на 1500 километра от Англия до Италия синхронно започват да се размножават (това се нарича още масово плододаване). Еколозите анализираха данните от 60 години насам и установиха, че буковете свързват този период с лятното слънцестоене и пика на дневната светлина. В друго проучване е разгледано възприемането при плевела Arabidopsis. Оказва се, че неговите семенници използват въздушните празнини между клетките, за да разпръскват фотоните и да създават градиент от светло към приглушена светлина – това им помага да достигат до светлината по време на растежа.

Тази година изследователите откриха също, че дори едноклетъчните бактерии усещат смяната на сезоните. Техните опростени биологични часовници могат да проследят скъсяването на дните преди зимата, което им позволява да се подготвят за студа – дори ако тази зима настъпи много поколения по-късно.

Светът на РНК

От откриването на РНК досега те са били смятани за нещо второстепенно спрямо ДНК: с една верига, крехки, по принцип просто посредник. Но все повече изследвания показват, че тя играе много по-важна роля в живота. Повечето от т.нар. некодиращи части на генома всъщност се превръщат в молекули РНК, които не извършват посреднически функции в клетките, а регулират например работата на гените. Тази идея беше подкрепена от Нобеловия комитет, който присъди награда за физиология и медицина на изследователите, открили микроРНК. Късите молекули осигуряват онзи вид генна регулация, която е в основата на сложния многоклетъчен живот.

Все по-големият брой научни изследвания показват също, че РНК служи като средство за комуникация. Тази година за първи път беше установено, че археите обменят некодиращи РНК в малки везикули извън своите клетки. Това е вид бърза поща за предаване на спешна информация. Бактериите и еукариотите също използват този своеобразен молекулярен пратеник.

В едно от най-необичайните открития на годината биолозите откриха нова форма на РНК – плоски пръстени, по-малки от вирусите, наречени „обелиски“. Те живеят в бактериите, които обитават червата и устната ни кухина. Засега никой не знае защо са необходими.

Нашият основен орган

Едно от най-изненадващите открития на годината е връзката между мозъка и тялото. Повечето имунолози отдавна смятаха, че имунната система работи самостоятелно. Но през 2024 г. те откриха невронна верига в мозъчния ствол, която очевидно я контролира. Тя открива възпалителните молекули в тялото и след това увеличава или намалява техните нива, за да защити здравата тъкан.

Постигнахме напредък и в разбирането на това как бързата активност на хилядите неврони (наричана още „вълнови пулсации“) създава спомените. Когато преживяваме нещо, невроните се включват в определен ред, „като да свириш мелодия на пиано“, според Даниел Бендор от Университетския колеж в Лондон. По време на почивка и сън хипокампусът повтаря тази последователност, при това стотици и може би хиляди пъти по-бързо, създавайки електрически вълни. След почивката е много по-вероятно тези последователности да се фиксират в дългосрочната памет. Друг екип откри специфични протеини, които също помагат за формирането на дългосрочната памет.

Невролозите продължават да работят по пресъздаването на мозъка неврон по неврон. Тази година учени от Google използваха изкуствен интелект, за да комбинират 5000 изображения на кубичен милиметър от човешкия мозък (една милионна част от цялата структура), за да изградят една невероятна триизмерна карта. Тя показва приблизително 57 000 неврона и 150 милиона синапса, а обемът на данните е 1,4 петабайта. В подобно изследване за първи път е създадена и карта на целия мозък на плодовата мушица. С размерите на песъчинка, това е най-големият напълно картографиран до момента мозък със 140 000 000 неврона (за сравнение, в човешкия мозък има 86 милиарда неврона). Следващата стъпка, преди да се премине към изследвания върху хора, е мозъкът на мишка, който има около 1 000 пъти повече неврони от този на мухата.