حصاد العام في علم الأحياء

حصاد العام في علم الأحياء
مصر: إيهاب محمد زايد
وصل الفهم التفصيلي للأدمغة والأجسام متعددة الخلايا إلى آفاق جديدة هذا العام ، بينما أسفرت جينومات فيروس COVID-19 والكائنات الحية المختلفة عن المزيد من المفاجآت.

عام 2021 في مراجعة السلوك البيولوجيا العقول بيولوجيا الخلية علم المناخ والاعتراف COVID-19DNA علم الأرض التطور الجين تنظيم الجينات الجينوميات الأمراض المعدية الذاكرة البيولوجيا الجزيئيةتعدد الخلايا العصبية علم الأعصاب النوم العام في المراجعة جميع الموضوعات

لقد أعطت ثلاثة مليارات ونصف المليار سنة من التطور الحياة على الأرض متسعًا من الوقت لاستكشاف هوامش ما هو ممكن ، لذلك يتعين على العلوم البيولوجية القيام بالكثير من اللحاق بالركب. حدد علماء الأحياء بعض المبادئ والآليات الأساسية التي تحكم مجالهم ، مثل الانتقاء الطبيعي والطبيعة الخلوية للكائنات والعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية. لقد جاهدوا ليس فقط لفهرسة تنوع ما أسماه تشارلز داروين “الأشكال اللامتناهية أجمل وأروع” ولكن أيضًا المجرات المجهرية ذات التعقيد على المستوى الخلوي داخل تلك الأنواع. لقد حققوا تقدمًا في فهم المادة الكيميائية المعقدة التي تعمل على العطاء والأخذ والتي تحيي الخلايا والكائنات الحية والنظم البيئية.

لا يزال العالم الحي لا ينفد من المفاجآت. الأشياء الدنيوية مثل التربة والنوم تحتوي على أسرار ، وبعض الاكتشافات تمزق افتراضات العلماء القديمة حول ما هو ممكن بيولوجيًا.

لقد كان مبدأً قديمًا في الكيمياء الحيوية ، على سبيل المثال ، أن الخصائص المفيدة لجزيئات البروتين تعتمد إلى حد كبير على كيفية طيها لسلاسل الأحماض الأمينية في شكل دقيق. لكن أحد أهم الموضوعات في علم البروتين هذه الأيام هو دراسة البروتينات القابلة للطرق والكتل الضخمة من جزيئات البروتين التي تسمى المكثفات التي تتحكم في مجموعة واسعة من العمليات الحيوية في الخلايا ، والتي تعمل على وجه التحديد لأنها سائلة وليست ثابتة في خلية واحدة. التشكل.

في عام 2021 ، غطت مقالات كوانتا العديد من هذه المنعطفات المفاجئة التي تضمنت دراسات الجينوم والدماغ والتفاعلات الديناميكية للكائنات مع بعضها البعض وبيئتها. كما نظرت بعض صحافتنا الأكثر طموحًا في الكفاح المستمر من قبل العلم والمجتمع للتعامل مع جائحة COVID-19.
دروس الوباء
مع التوزيع الأوسع للقاحات ضد COVID-19 في عام 2021 ، بدأت أجزاء من العالم لفترة وجيزة في الخروج من تحت الوباء حتى مع ظهور متغير دلتا وأشكال أخرى من فيروس SARS-CoV-2 أكد أن الأزمة ليست كذلك. انتهى. بالنسبة لعلماء الأوبئة ، كان الدرس الصعب خلال العامين الماضيين هو أن الأدوات الإحصائية وأنظمة الصحة العامة وبروتوكولات الاتصال التي اعتمدوا عليها لم تكن جاهزة تمامًا للتعامل مع فيروس صعب مثل هذا الفيروس. اكتشفوا أنه حتى المتغيرات الأساسية مثل رقم التكاثر في الوقت الحقيقي ، Rt ، والفاصل الزمني للجيل كان من الصعب تقييمها ، مما جعل نمذجة مسار الوباء أمرًا صعبًا للغاية. حتى الآن ، هناك مخاوف من أن أنظمة المراقبة الفيروسية في جميع أنحاء العالم قد تكون غير كافية لرصد ظهور المتغيرات الجديدة التي يحتمل أن تكون خطرة من SARS-CoV-2 – في جزء لا يستهان به لأن أنظمة الصحة العامة لا تزال مرهقة مع عبء العناية بها. مرضى كوفيد -19.

صدر نتن من المفاجآت الجينية
نبات طفيلي غير عادي موطنه جنوب شرق آسيا يقضي معظم حياته كخيط من الخلايا ينمو داخل نباتات أخرى ، ثم يزهر كزهرة عملاقة تزن مثل طفل صغير ورائحتها مثل اللحوم المتعفنة. لكن الحقيقة الأكثر إثارة للدهشة حول هذا النوع من “زهرة الجثة” قد تكون ما هو موجود – وليس كذلك – في جينومه ، والذي تم نشره في وقت مبكر من هذا العام. تفتقد Sapria Himalayana ما يقرب من نصف الجينات المحفوظة بشكل كبير في النباتات الأخرى ، بما في ذلك بعض التي اعتبرها علماء الأحياء ضرورية. على الرغم من هذه التخفيضات ، لا يزال جينومها ضخمًا بشكل غير متوقع لأنه ما أسماه أحد العلماء “مقبرة ضخمة للحمض النووي” سُرقت من أنواع أخرى وتضخمت بسبب أعداد هائلة من نسخ العناصر الجينية المتنقلة المسماة الينقولات.

غريب مثل Sapria ، يجسد حمضه النووي الفظيع العديد من الاتجاهات الحديثة في الاكتشافات الجينومية. من الواضح بشكل متزايد أنه من خلال عمل نسخ من نفسها والقفز داخل الكروموسومات وفيما بينها ، يمكن لليقولات أن تعيد تشكيل جينوم الكائن الحي وتسهيل النقل الأفقي للحمض النووي بين الأنواع. في كل من النباتات والحيوانات ، يبدو أن عمليات النقل الأفقية أكثر شيوعًا مما كان يعتقد سابقًا ، ولا يزال الباحثون يحاولون فهم أهميتها في التطور.

تطور الأجسام متعددة الخلايا
يدين التعقيد الخصب والوفير للحياة على الأرض بوجودها إلى سلالات الكائنات وحيدة الخلية التي قامت بقفزات مصيرية للعديد من الخلايا عشرات المرات في الـ 3.5 مليار سنة الماضية. لا يزال الباحثون يحاولون فهم كيف ولماذا حدثت هذه التحولات ، بالنظر إلى أن المزايا التطورية لتعدد الخلايا غالبًا ما تكون غير واضحة في مراحلها المبكرة. أظهرت الدراسات التجريبية على الطحالب والخميرة والأنواع وحيدة الخلية الأخرى ، أنه إذا كان التكتل معًا يمنحها حتى فائدة صغيرة متسقة ، مثل جعلها أقل عرضة للافتراس ، فيمكن أن تدفعها لتصبح متعددة الخلايا في وقت قصير بشكل مذهل .

ومع ذلك ، فإن تطوير جسم متعدد الخلايا ليس سوى الخطوة الأولى. يكمن التحدي الرئيسي الآخر في جعل الخلايا المتعاونة تتمايز إلى أنسجة متميزة ذات وظائف متخصصة. ظهرت أدلة مهمة لهذه العملية من العمل الجديد الذي أعاد بناء كيفية تطور الغدة الدفاعية في الخنفساء.

إعادة التفكير في كيفية عمل العقول
في كتب علم الأعصاب التمهيدية ، غالبًا ما يتم رسم الدماغ مثل عالم غير متوازن من العالم ، مع سطحه مقسم بشكل حاد إلى مناطق متميزة للإدراك والذاكرة والكلام والوعي والكليات الأخرى. تعكس هذه الأقسام الأنيقة ثروة من البيانات السريرية والتجريبية ، لكنها تشير أيضًا إلى خبرتنا الشخصية في هذه العمليات باعتبارها فئات قابلة للفصل للوظيفة العقلية.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون التجربة خادعة. تشير الأدلة المتزايدة إلى أنه من الخطأ الاعتقاد بأن قدراتنا مقسمة إلى مسارات منفصلة في مناطق دماغية متميزة تشريحياً. عند الفحص الدقيق ، ترتبط أحيانًا أجزاء من الدماغ مرتبطة بقوة بوظائف محددة أيضًا بوظائف مختلفة بشكل غير متوقع أيضًا: على سبيل المثال ، يرتبط معظم النشاط في مراكز الإدراك في الدماغ بحركات الجسم. لا يزال علماء الأعصاب يفرزون أهمية هذا الاكتشاف ، لكنه يساعد في تفسير الملاحظات بأن “ضوضاء” الخلفية المقاسة في الإشارات الكهربائية للدماغ ترمز المعلومات حول ما يفعله الجسم.

ظهرت مفاجآت أيضًا هذا العام في نظام دماغي آخر اعتقد الباحثون أنهم أزالوا الغموض عنه منذ عقود. أظهر الباحثون أن شبكة من “الخلايا الشبكية” في الدماغ تمكننا من تحديد مكان وجودنا في الفضاء ويبدو أيضًا أنها تساعدنا على تتبع الذكريات والمفاهيم المجردة. يبدو الآن أن نظام الشبكة الأنيق هذا يعمل فقط لرسم الخرائط في بعدين ؛ يبدو أننا والثدييات الأخرى نعتمد على نظام أكثر تعقيدًا وأقل فهمًا لمعرفة أين نحن في الأبعاد الثلاثية.

شوما 81
سر النوم القديم
لفترة طويلة ، درس العلماء النوم في المقام الأول كظاهرة عصبية: من الواضح أن وعينا وسلوكنا تغير عندما ذهبنا للنوم ، ولكن يبدو أن فسيولوجيا لدينا هي نفسها عندما كنا مسترخين وبلا حراك. لكن هذا الرأي تغير بشكل كبير خلال العقود القليلة الماضية ، عندما اكتشفت التجارب تحولات كيميائية طفيفة في الجسم أثناء النوم ووجدت دليلًا على أنه حتى المخلوقات ذات العقول البدائية تنام. وصل هذا الاتجاه إلى ذروته هذا العام مع اكتشاف أن هيدرا ، وهو حيوان صغير بسيط للغاية لدرجة أنه يفتقر إلى نظام عصبي مركزي ، يقضي جزءًا من كل أربع ساعات نائماً. يبدو الآن أنه عندما حدثت الغفوة الأولى منذ مليار سنة ، ربما تكون قد خدمت وظيفة التمثيل الغذائي التي ساعدت الخلايا على إصلاح نفسها.

مقارنة Connectomes
في سبعينيات القرن الماضي ، بذل علماء الأعصاب جهدًا طموحًا لتحديد كيفية توصيل جميع الخلايا العصبية في حيوان بسيط جدًا ، الدودة المستديرة Caenorhabditis elegans ، معًا. من الناحية النظرية ، يجب أن تكون “الشبكة العصبية” الناتجة هي حجر الزاوية لفهم جميع السلوكيات والاستجابات المحتملة للدودة. بعد خمسة عقود ، يمتلك الباحثون شبكة عصبية كاملة ومكررة للدودة – لكنها لا تزال الحيوان الوحيد الذي يمكن قول ذلك من أجله.

ومع ذلك ، في عام 2021 ، أطلق علماء الأعصاب شبكات عصبية جزئية للعديد من الكائنات ، بما في ذلك البشر ، والتي أظهرت مدى سرعة توسع مجال الوصلات. شارك باحثو جامعة هارفارد وجوجل شبكة عصبية لمليمتر مكعب واحد من أنسجة المخ البشري كشفت عن أنواع فريدة من الخلايا العصبية ومفاجآت أخرى. نشر الباحثون أيضًا معلومات حول الشبكة العصبية لذباب الفاكهة والتي تضمنت الدوائر الملاحية الخاصة بهم. ومع ذلك ، يعتقد بعض الباحثين أن أهم تقدم قد يكون ظهور الوصلات الوصلات واسعة النطاق أو المقارنة: وهي القدرة على طي المعلومات من عدة أفراد في الشبكة العصبية لأحد الأنواع ، وهو ما قد يكشف من القواعد التي تحكم كيفية توصيل الخلايا العصبية معًا وكيف تؤثر الاختلافات في تلك الدوائر العصبية على الكائنات الحية.

لا يمكن للتربة أن تحافظ على المناخ
سنحتاج إلى كل المساعدة التي يمكننا الحصول عليها لتقليل آثار تغير المناخ الناتج عن غازات الاحتباس الحراري في العقود المقبلة. ولسوء الحظ ، ربما بالغ علماء المناخ في تقدير مقدار المساعدة التي يمكن أن نتوقعها من عملية واحدة في الطبيعة. تمثل كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في أي وقت التأثير الإجمالي لمصادر الكربون مثل حرق الوقود الأحفوري و “أحواض الكربون” التي تسحبه من الدورة الدموية. مثال على هذا الأخير هو الطريقة التي يمكن بها للنباتات عزل الكربون في التربة كسلاسل كربوهيدرات طويلة تسمى الدبال. نظرًا لأن الدبال يبدو أنه يتحمل وقتًا طويلاً ، فقد اعتمدت العديد من نماذج المناخ العالمي عليه لربط كميات كبيرة من الكربون الزائد. ولكن خلال العقد الماضي أو نحو ذلك ، أثبتت الدراسات متعددة التخصصات التي أحدثت ثورة في علم التربة بهدوء أنه في التربة الطبيعية الدافئة ، يتحلل الدبال بشكل روتيني في وقت أقرب بكثير مما كان متوقعًا. ربما لا يُتوقع من التربة غير المعالجة في الغابات حول العالم أن تحتفظ بالكثير من ثاني أكسيد الكربون المفرط على الإطلاق. لا يزال الباحثون يدرسون ما إذا كان يمكن تعديل بعض الكائنات الحية لاحتجاز الكربون بشكل دائم.