РНК заговорила, деревья занялись математикой, а крабы обрели сознание

Среди научных открытий особенно захватывают те, что опровергают привычные представления — когда ученые, порой совершенно случайно, переворачивают с ног на голову то, что казалось незыблемым.

Взять хотя бы иммунную систему: биологи десятилетиями считали, что она регулирует себя сама, без участия мозга. Но в этом году обнаружилось, что нейронная цепь в стволе мозга может усиливать или ослаблять выработку медиаторов воспаления. Интересно, что это открытие сделали в лаборатории, которая изучает не иммунологию, а вкусовые ощущения.

Были сделаны и другие важные шаги в понимании устройства жизни. В науку пришли новые инструменты, в том числе искусственный интеллект, так что прогресс постепенно разгоняется до невиданных скоростей.

Появились новые пути в изучении многоклеточных организмов. Специалисты сейчас пытаются понять не только откуда взялась многоклеточность, но и почему некоторые существа так и остались одноклеточными. Кроме того, теперь у науки есть более ясное представление о том, как крошечные изменения в молекулах влияют на эволюцию.

Биологи встречают революцию ИИ

В 2024 год не успевали следить за громкими публикациями об AlphaFold2 от Google DeepMind — нейронной сети, способной точно предсказывать трехмерную структуру свернутого белка по цепочке его аминокислот. Биологи проверяли, сможет ли она находить новые мишени для препаратов и психоделические молекулы . Модель также помогла изучить эволюцию вирусов и найти белок, который соединяет сперматозоид с яйцеклеткой при оплодотворении. Очевидно, отношения между биологией и компьютерными науками вышли на новый уровень.

В мае Google DeepMind выпустила AlphaFold3 , которая предсказывает форму белков при их взаимодействии с другими молекулами. А в октябре Нобелевскую премию по химии получили Джон Джампер и Демис Хассабис из Google DeepMind, создатели AlphaFold2, а также Дэвид Бейкер из Вашингтонского университета.

Поворотные моменты эволюции

“Как мы сюда попали?” — биологи обожают этот вопрос. Пытаясь найти решение важнейшей загадки о происхождении всего живого, они выделяют несколько переломных моментов в истории эволюции.

Группа ученых из разных областей недавно проследила корни всей современной жизни до нашего общего предка с помощью эволюционных “деревьев” генов и геномов . Эта древняя клетка или группа клеток известна как LUCA (от “last universal common ancestor” — последний всеобщий общий предок), от которой произошло все живое.

Команда оценила вероятность наличия каждого из тысяч генов в LUCA. Оказалось, что она была удивительно сложной клеткой: перерабатывала водород и углекислый газ, имела зачатки иммунной системы и, скорее всего, обитала в микробном сообществе (из которого только она и выжила). Исследование также показало, что LUCA существовала примерно 4,2 миллиарда лет назад — раньше, чем предполагалось.

Еще один поворотный момент (точнее, целая серия моментов) — появление многоклеточности. Биолог Карл Симпсон связал это событие с периодом в истории Земли, когда планета была полностью покрыта льдом. Забавно, что эту эпоху еще называют “Землей-снежком” .

В другом исследовании ученые пытались понять, почему бактерии и другие прокариоты так и не стали сложными многоклеточными организмами. По их мнению, причина может быть связана с процессом случайных изменений в генах — генетическим дрейфом .

Бактерии научились жить простыми многоклеточными формами, например в колониях, но у архей такого никогда не видели — пока в этом году не выяснилось, что если просто сжать эти клетки, они образуют многоклеточные структуры, похожие на ткани. А в Китае ученые нашли окаменелости многоклеточных эукариот возрастом 1,6 миллиарда лет . Так что время появления эукариотической многоклеточности пришлось перенести аж на 600 миллионов лет назад.

Разум и восприятие не-людей

Мы привыкли воспринимать мир определенным образом: видим глазами, слышим ушами и думаем невероятно сложным органом из миллиардов клеток. Другие организмы тоже чувствуют, воспринимают окружающий мир и реагируют на него, но представить их опыт бывает непросто. А если взглянуть на это немного шире?

В апреле группа биологов, когнитивистов и философов подписала декларацию , которая признает “феноменальное сознание” у куда большего числа животных, чем считалось раньше: у насекомых, крабов, осьминогов, рыб, рептилий и амфибий. Существо с феноменальным сознанием может испытывать боль, удовольствие или голод, но это не значит, что у них есть более сложная мозговая активность вроде самосознания.

У растений нет сознания как такового, но иногда им приходится решать сложные задачи. Например, как оказалось, европейские буки умеют определять самый длинный день в году. Каждый год, словно по часам, деревья на протяжении 1500 километров от Англии до Италии синхронно начинают размножаться (это еще называют массовым плодоношением). Экологи проанализировали данные за 60 лет и выяснили, что буки привязывают этот период к летнему солнцестоянию и пику светового дня. В другом исследовании изучалось восприятие у сорняка арабидопсиса . Оказалось, его проростки используют воздушные промежутки между клетками, чтобы рассеивать фотоны и создавать градиент от яркого к тусклому — это помогает им тянуться к свету во время роста.

В этом году исследователи также обнаружили, что даже одноклеточные бактерии чувствуют смену сезонов . Их простые биологические часы могут отслеживать, как укорачиваются дни перед зимой, позволяя им готовиться к холодам — даже если эта зима наступит через много поколений.

Мир РНК

С момента открытия РНК их считали чем-то второстепенным по сравнению с ДНК: однонитевая, хрупкая, в общем, всего лишь посредник. Но исследования все чаще показывают, что она играет в жизни куда более важную роль. Большая часть так называемых некодирующих участков генома на самом деле превращается в молекулы РНК, которые выполняют в клетках не посреднические функции, а, например, регулируют работу генов. Эту идею подкрепил Нобелевский комитет, присудив премию по физиологии и медицине исследователям, открывшим микроРНК . Короткие молекулы обеспечивают такую регуляцию генов, которая лежит в основе сложной многоклеточной жизни.

Все больше исследований также показывают: РНК служит средством общения. В этом году впервые обнаружили, что археи обмениваются некодирующими РНК в крошечных пузырьках вне клеток . Это своего рода экстренная почта для передачи срочной информации. Бактерии и эукариоты тоже пользуются этим своеобразным молекулярным мессенджером.

В одном из самых необычных открытий года биологи нашли новую форму РНК — плоские кольца меньше вирусов, названные “обелисками”. Они живут в бактериях, населяющих наш кишечник и ротовую полость. Пока никто не знает, зачем они нужны.

Наш главный орган

Одно из самых поразительных открытий года касается связи мозга и тела. Большинство иммунологов долго считали, что иммунная система работает сама по себе. А в 2024-ом нашли в стволе мозга нейронную цепь , которая, видимо, этой системой управляет. Она определяет воспалительные молекулы в теле, а затем усиливает или ослабляет их уровень, чтобы защитить здоровые ткани.

Мы также продвинулись в понимании того, как быстрая работа тысяч нейронов (это еще называется “волновая рябь”) создает воспоминания. Когда мы что-то переживаем, нейроны включаются в определенном порядке, “словно наигрывают мелодию на пианино”, как говорит Дэниел Бендор из Университетского колледжа Лондона. Во время отдыха и сна гиппокамп повторяет эту последовательность, но быстрее и, возможно, сотни или тысячи раз, создавая электрические волны. После отдыха такие последовательности чаще закрепляются в долговременной памяти. Другая команда обнаружила специальные белки , которые также помогают формироваться долговременной памяти.

Нейробиологи продолжают работу по воссозданию мозга нейрон за нейроном. В этом году ученые Google с помощью искусственного интеллекта соединили 5000 изображений кубического миллиметра человеческого мозга (одной миллионной всей структуры) и построили удивительную трехмерную карту . На ней видны примерно 57000 нейронов и 150 миллионов синапсов, а объем данных составил 1,4 петабайта. В похожем исследовании впервые была составлена карта всего мозга плодовой мушки . Размером с песчинку, это самый большой мозг, полностью картированный на сегодняшний день — 140000 нейронов (для сравнения, в человеческом мозге их 86 миллиардов). Следующий шаг, прежде чем замахиваться на изучение человека — это мозг мыши, в котором примерно в 1000 раз больше нейронов, чем у мушки.