سالی که پشت سر گذاشتیم برای زیست شناسان چه آورده ای داشت؟

به گزارش مشرق، در سالی که پشت سر گذاشتیم، زیست شناسان از هوش مصنوعی برای اکتشافات در مورد مولکول ها و مغز استفاده کردند و فرضیات دیرینه در مورد سیستم ایمنی و آران ای (RNA) را به چالش کشیدند.

بسیاری از انواع اکتشافات می توانند شگفت آور و خوشحال کننده باشند، اما تعداد کمی از یافته ها هیجان انگیزتر از فرضیه های ابطال شده هستند که دانشمندان، گاهی اوقات به طور تصادفی، به آنها بر می خورند.

برای مثال، زیست شناسان برای دهه ها فرض می کردند که سیستم ایمنی خود را بدون دخالت مغز ما تنظیم می کند. اما در سالی که گذشت، آنها کشف کردند که یک مدار عصبی در ساقه مغز سطوح مولکول های التهابی را بالا و پایین می کند و این کشف برخلاف تصور در آزمایشگاهی با تخصص در ایمونولوژی یا ایمنی شناسی انجام نشد، بلکه آزمایشگاهی با تخصص در حس چشایی انجام شد. شاید برای انجام این کشف نیاز به تغییر دیدگاه بود.

دانشمندان در این سال به تعدادی پیشرفت مهم دیگر در درک اساسی ما از نحوه عملکرد حیات دست یافتند. ابزارهای جدید به ویژه هوش مصنوعی در زیست شناسی ادغام شده اند و باعث اکتشافات می شوند. محققان به طور خلاقانه ای در حال بررسی راه های مختلفی هستند که به وسیله آنها چند سلولی ها می تواند به تکامل رسیده باشند، از جمله، در برخی موارد بررسی می کنند که چرا تکامل اتفاق نیفتاده است. همچنین دانشمندان بهتر درک می کنند که چگونه تغییرات مولکولی کوچک، چهره تکامل و زیست شناسی امروزی را تغییر داده است.

زیست شناسان با انقلاب هوش مصنوعی آشنا می شوند

در سال 2024، به سختی می شد یک هفته را بدون انتشار مقاله بزرگ جدیدی مرتبط با هوش مصنوعی آلفا فولد 2 (AlphaFold2) متعلق به شرکت دیپ مایند از زیرمجموعه های گوگل، سپری کرد. آلفافولد2 یک شبکه عصبی است که می تواند ساختار سه بُعدی یک پروتئین تا شده را از روی رشته تک بُعدی مولکول های اسید آمینه اش پیش بینی کند.

برای مثال، در کشف دارو، زیست شناسان از آن برای شناسایی اهداف دارویی جدید و مولکول های روانگردان استفاده کردند. در علوم پایه، آلفافولد 2 به محققان کمک کرد تا تکامل ویروسی را بررسی کنند و پروتئینی را کشف کنند که اسپرم را به تخمک متصل می کند. این پیشرفت های فزاینده نشان دهنده یک تغییر بنیادی در رابطه بین زیست شناسی و علوم رایانه بود.

پل آدامز (Paul Adams) از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در این مورد می گوید: این امر زیست شناسی ساختاری را از بسیاری جهات مثبت، تغییر می دهد. این فقط باعث می شود این زمینه هیجان انگیزتری برای کار باشد.

چرا آلفا فولد 2 اهمیت دارد؟

پروتئین ها مولکول های اساسی در بدن موجودات زنده هستند و ساختار سه بُعدی آنها نقش کلیدی در عملکردشان دارد. دانستن شکل دقیق یک پروتئین می تواند در درمان بیماری ها، طراحی داروهای جدید، درک بهتر زیست شناسی سلولی و مهندسی پروتئین های مصنوعی کمک کننده باشد. تا پیش از توسعه آلفافولد محققان برای تعیین ساختار پروتئین ها از روش هایی مانند کریستالوگرافی پرتو ایکس و میکروسکوپی کرایو-الکترونی استفاده می کردند که بسیار هزینه بر و زمان بر بود. آلفا فولد در مقابل می تواند در عرض چند ساعت ساختار پروتئین ها را با دقت آزمایشگاهی پیش بینی کند.

در ماه مه، سیستم هوش مصنوعی آلفا فولد 3 نیز منتشر شد که شکل پروتئین ها را هنگام تعامل با مولکول های دیگر پیش بینی می کند. سپس، در ماه اکتبر، جایزه نوبل شیمی به جان جامپر (John M. Jumper) و دمیس حسابیس (Demis Hassabis) از دیپ مایند گوگل به عنوان خالقان آلفافولد 2 و دیوید بیکر (David Baker) از دانشگاه واشنگتن که انقلابی در طراحی پروتئین ها با استفاده از هوش مصنوعی ایجاد کردند، اعطا شد.

لحظات محوری در تکامل: چطور به اینجا رسیدیم؟

این یکی از سؤالات مورد علاقه زیست شناسان است. آنها تمایل دارند منشأ حیات را در چند لحظه مهم در تاریخ تکامل دنبال کنند و در سالی که گذشت نیز در درک چگونگی آغاز حیات به شکلی که ما می شناسیم، پیشرفت کردند.

یک گروه بین رشته ای جدیدترین روش های فیلوژنتیک را که با استفاده از ژن ها و ژنوم ها برای ساختن درختان تکاملی انجام می شود، برای ردیابی تمام حیات مدرن تا اجداد مشترک ما، به کار گرفتند. دانشمندان تصور می کنند که هر آن چه که امروز زنده است، از یک سلول باستانی فرضی به نام لوکا (LUCA) که نامش مخفف عبارت «آخرین نیای مشترک جهانی» است، نشأت گرفته است. لوکا اولین موجودی بوده است که تمامی ویژگی های یک سلول زنده را داشته است و جد همه باکتری ها و یوکاریوت ها محسوب می شود. این سلول به طور مستقیم کشف نشده است.

نوآوری محققان در روشی بود که احتمال وجود هر یک از هزاران ژن در لوکا را ارزیابی می کرد. این مطالعه نشان داد که لوکا یک سلول شگفت آور و پیچیده است که گاز هیدروژن و دی اکسید کربن را متابولیزه می کند، سیستم ایمنی ابتدایی دارد و احتمالا در یک اکوسیستم میکروبی زندگی می کند که خود تنها بازمانده آن است. این مطالعه همچنین قدمت لوکا را به حدود 4.2 میلیارد سال پیش که قدیمی تر از آن چیزی است که محققان تصور می کردند، تعیین کرد.

لوکا اولین موجودی بوده است که تمامی ویژگی های یک سلول زنده را داشته است و جد همه باکتری ها و یوکاریوت ها محسوب می شود.

یکی دیگر از لحظات محوری یا به عبارت بهتر، مجموعه ای از این لحظات، تکامل چند سلولی بود که نه یک بار بلکه حداقل 25 بار و احتمالا بیشتر اتفاق افتاد. کارل سیمپسون (Carl Simpson)، زیست شناس، ظهور چند سلولی حیوانی را در دوره ای از تاریخ زمین که سیاره یخ زده بود، دنبال کرد. مطالعه دیگری به این پرسش پرداخت که چرا باکتری ها و سایر سلول های پروکاریوتی نتوانستند به حیات چند سلولی پیچیده تکامل یابند. پاسخ می تواند به یک فرآیند تکاملی به نام رانش ژنتیکی برسد.

باکتری ها اشکال ساده چند سلولی مانند زندگی به صورت یک کلونی را ایجاد کرده اند، اما نسخه های باستانی آنها هرگز مشابه این کار را انجام ندادند. در سالی که گذشت، محققان دریافتند که فشردن سلول های باستانی می تواند آنها را وادار به تشکیل کلونی چند سلولی و بافت های سازه مانند کند.

در چین نیز دانشمندان فسیل هایی از یوکاریوت های چند سلولی کشف کردند که قدمت آنها به 1.6 میلیارد سال پیش باز می گردد و این جدول زمانی تشکیل یوکاریوت های چندسلولی را حدود 600 میلیون سال عقب تر می برد.

ذهن و ادراک غیر انسانی

دانشمندان نسبت به درک جهان به روشی خاص تعصب دارند. ما با چشم می بینیم، با گوش می شنویم و با اندامی پیچیده به طرز معجزه آسایی که از میلیاردها سلول تشکیل شده است، فکر می کنیم. سایر موجودات نیز محیط خود را حس می کنند، درک می کنند و به آن پاسخ می دهند، اما تصور تجربه آنها دشوار است. در سالی که گذشت، زیست شناسان ما را تشویق کردند که ذهنمان را در این مورد باز کنیم.

در ماه آوریل، گروهی از زیست شناسان، دانشمندان علوم شناختی و فیلسوفان اعلامیه ای را امضا کردند که حمایت علمی از «آگاهی خارق العاده» را به مجموعه گسترده تری از حیوانات، از جمله حشرات، خرچنگ ها، اختاپوس ها، ماهی ها، خزندگان و دوزیستان، گسترش می دهد. این موجودات فوق العاده هوشیار این ظرفیت را دارند که احساساتی مانند درد یا لذت یا گرسنگی را تجربه کنند، اما لزوما حالات ذهنی پیچیده تری مانند خودآگاهی را تجربه نمی کنند.

گیاهان به خودی خود هوشیاری ندارند، اما گاهی اوقات نیاز به محاسبات دارند. تحقیقات نشان داد که درختان راش اروپایی می توانند طولانی ترین روز سال را حس کنند. هر ساله درختان در طول 1500 کیلومتر، از انگلستان تا ایتالیا، مانند عقربه های ساعت، تولیدمثل خود را در منظره ای به نام ماستینگ هماهنگ می کنند. بوم شناسان داده های بیش از 60 سال را تجزیه و تحلیل کردند تا نشان دهند که راش ها زمان این رویداد را تا انقلاب تابستانی و اوج نور روز در نظر می گیرند. مطالعه دیگری به وجود ادراک در علف هرز رشادی (Arabidopsis) پرداخت. به نظر می رسد آنها از فضاهای هوایی بین سلول های خود برای پراکنده کردن نور و ایجاد یک گرادیان از روشن به کم استفاده می کنند تا بتوانند نور را در حین رشد دنبال کنند.

در سالی که گذشت، همچنین محققان کشف کردند که باکتری های تک سلولی می توانند تغییر فصول را حس کنند. ساعت های شبانه روزی ساده آنها می تواند کوتاه شدن روزها را با نزدیک شدن به زمستان ردیابی کند و به آنها این امکان را می دهد تا برای هوای سردتر آماده شوند، حتی اگر آن زمستان برای چندین نسل بعدتر از آنها از راه برسد.

این دنیای آران ای است و ما فقط در آن زندگی می کنیم

مولکول آران ای از زمان کشفش، چیزی کمتر از دی ان ای در نظر گرفته شده است. این یک مولکول تک رشته ای، بی دوام و تنها یک پیام رسان است. اما تحقیقات به طور فزاینده ای نشان داده است که آران ای بیش از آن چه فکر می کنیم، برای حیات، اهمیت دارد. بیشتر بخش های به اصطلاح غیرکدکننده ژنوم، در واقع به شکل مولکول های آران ای رونویسی می شوند که نقش های غیر پیام رسان را در سلول ها مانند تنظیم بیان ژن ها ایفا می کنند. دیدگاه جدیدی در حال ظهور است که بیان می کند بسیاری از فرآیندهای ژنوم مهم و پویا ممکن است از طریق آران ای انجام شوند. این مفهوم توسط کمیته نوبل که جایزه نوبل پزشکی را به محققانی که میکروآران ای (microRNA) را کشف کردند، اعطا کرد، تقویت شد. این مولکول های کوتاه، نوعی تنظیم ژن را امکان پذیر می کنند که زیربنای حیات پیچیده و چند سلولی است. کمیته نوبل جایزه نوبل پزشکی را به «ویکتور امبروس» و «گری راوکون» به خاطر کشف میکرو آران ای و نقش آن در تنظیم ژن پس از رونویسی اهدا کردند.

تعداد فزاینده ای از تحقیقات همچنین نشان می دهد که آران ای یک ابزار ارتباطی است. سال گذشته، برای اولین بار، محققان سلول های باستانی را یافتند که آران ای های غیرکدکننده را در وزیکول های خارج سلولی مبادله می کنند و نوعی سیستم پیامک سلولی برای اشتراک گذاری پیام های کوتاه مدت و به موقع ایجاد می کنند. این کشف تایید کرد که سلول های باستانی، باکتری ها و یوکاریوت ها همگی می توانند این پیام های آران ای را مبادله کنند. به نظر می رسد که انتقال اطلاعات به خارج از سلول ممکن است یکی از نقش های ذاتی آران ای باشد.

در یکی از عجیب ترین اکتشافات سال گذشته، زیست شناسان شکل جدیدی از آران ای بسیار عجیب و غریب را یافتند که دایره های مسطح کوچک تر از ویروس بودند و لقب «ابلیسک» به آنها داده شد. این آران ای های عجیب در باکتری هایی که روده و دهان ما را فراگرفته اند، زندگی می کنند. هنوز کسی نمی داند کار آنها چیست. مارک پیفر (Mark Peifer) از دانشگاه کارولینای شمالی، به نیچر گفته است: دنیا پر از چیزهای جدید است و هنگامی که شروع به جستجو کنید، آنها را پیدا می کنید.

نگاهی به درون ذهن

یکی از شگفت انگیزترین اکتشافات سال گذشته در مورد ادغام مغز و بدن بوده است. بیشتر ایمونولوژیست ها مدت ها بود تصور می کردند که سیستم ایمنی به خودی خود تنظیم می شود. اما برای اولین بار، محققان یک مدار عصبی واقع در ساقه مغز پیدا کردند که سیستم ایمنی را تنظیم می کند. این مدار، مولکول های التهابی را در بدن حس می کند و سپس سطح آنها را بالا یا پایین می کند تا از بافت های سالم محافظت کند. این مطالعه نشان دهنده علاقه روزافزون به ساختارهایی است که ذهن و بدن را به هم متصل می کنند، مانند عصب واگ یا واگوس که طولانی ترین عصب مغزی است و مغز را برای راهنمایی پاسخ عاطفی به اندام ها پیوند می دهد و سیستم مغزی نخاعی که نخاع و مغز را در مایعی شفاف پوشانده است و سالی که گذشت کشف شد که اعصاب را در سراسر بدن نیز با این مایع می پوشاند.
دنیا پر از چیزهای جدید است و هنگامی که شروع به کاوش کنید، آنها را پیدا می کنید. در این سال محققان همچنین در درک چگونگی فعالیت سریع هزاران نورون پیشرفت داشته اند. دانیل بندور (Daniel Bendor) از دانشگاه کالج لندن می گوید: وقتی تجربه ای داریم، نورون ها به ترتیب خاصی فعال می شوند، گویی در حال شنیدن یک ملودی روی پیانو هستند. در طول استراحت و خواب، هیپوکامپ توالی را دوباره پخش می کند، اما سریعتر و به طور بالقوه صدها یا هزاران بار، موج های الکتریکی ایجاد می کند. با استراحت، این توالی ها به احتمال زیاد در خاطرات بلند مدت تثبیت می شوند.

در مقیاس بسیار کوچک، دانشمندان علوم اعصاب به مطالعه خود برای بازسازی نورون به نورون مغز ادامه می دهند. در سالی که گذشت، دانشمندان گوگل با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی، 5000 تصویر گرفته شده از یک میلی متر مکعب از مغز انسان، یا یک میلیونیم کل ساختار را برای ساختن یک نقشه سه بعدی شگفت انگیز به هم پیوند زدند. این بخش تقریبا شامل 57 هزار نورون و 150 میلیون سیناپس است که 1.4 پتابایت داده را در خود جای داده است. همچنین در موردی مشابه، محققان برای اولین بار از کل مغز مگس سرکه نقشه برداری کردند. این مغز به اندازه یک دانه شن است و بزرگترین مغزی است که تا به امروز به طور کامل نقشه برداری شده است. مغز این جانور با 140 هزار نورون در مقایسه با 86 میلیارد نورون در مغز انسان، نقشه برداری شد. مرحله بعدی، پیش از نقشه برداری از یک مغز کامل انسان، مغز موش است که حدود 1000 برابر بیشتر از مغز مگس، نورون دارد.

همانطور که خواندید در سالی که پشت سر گذاشتیم، شاهد اکتشافات قابل توجه و گوناگونی در حوزه زیست شناسی بوده ایم و همانطور که انتظار می رفت هوش مصنوعی نقش پررنگی در این حوزه همچون حوزه های دیگر علمی ایفا کرده است. با توجه به سرعت پیشرفت روزافزون حوزه های علمی، انتظار می رود سال پیش رو نیز سرشار از اکتشافات مهم در زمینه زیست شناسی از نوآوری و اکتشافات بنیادی و ژنتیکی گرفته تا تولید دارو و کشف درمان های جدید باشد.