نسیم گیلان - ایسنا /سال گذشته نقطه عطفی در پیشرفت‌های مربوط به زیست‌شناسی بوده است از کشف‌های ژنتیکی جدید گرفته تا توسعه درمان‌های نوآورانه و پیشرفت در فناوری‌های زیستی. در این سال محققان توانستند با استفاده از هوش مصنوعی، ویرایش ژنوم و تحقیقات سلول‌های بنیادی، مرزهای دانش زیستی را گسترش دهند. در اینجا نگاهی خواهیم داشت به علم زیست شناسی در سالی که پشت سر گذاشتیم.
 در سالی که پشت سر گذاشتیم، زیست‌شناسان از هوش مصنوعی برای اکتشافات در مورد مولکول‌ها و مغز استفاده کردند و فرضیات دیرینه در مورد سیستم ایمنی و ‌آران‌ای (RNA) را به چالش کشیدند.
بسیاری از انواع اکتشافات می‌توانند شگفت‌آور و خوشحال کننده باشند، اما تعداد کمی از یافته‌ها هیجان انگیزتر از فرضیه‌های ابطال شده هستند که دانشمندان، گاهی اوقات به طور تصادفی، به آنها بر می‌خورند.
بازار

برای مثال، زیست‌شناسان برای دهه‌ها فرض می‌کردند که سیستم ایمنی خود را بدون دخالت مغز ما تنظیم می‌کند. اما در سالی که گذشت، آنها کشف کردند که یک مدار عصبی در ساقه مغز سطوح مولکول‌های التهابی را بالا و پایین می‌کند و این کشف برخلاف تصور در آزمایشگاهی با تخصص در ایمونولوژی یا ایمنی‌شناسی 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 به‌ویژه هوش مصنوعی در زیست‌شناسی ادغام شده‌اند و باعث اکتشافات می‌شوند. محققان به طور خلاقانه‌ای در حال بررسی راه‌های مختلفی هستند که به وسیله آنها چند سلولی‌ها می‌تواند به تکامل رسیده باشند، از جمله، در برخی موارد بررسی می‌کنند که چرا تکامل اتفاق نیفتاده است. همچنین دانشمندان بهتر درک می‌کنند که چگونه تغییرات مولکولی کوچک، چهره تکامل و زیست‌شناسی امروزی را تغییر داده است.
زیست‌شناسان با انقلاب هوش مصنوعی آشنا می‌شوند
در سال 2024، به سختی می‌شد یک هفته را بدون انتشار مقاله بزرگ جدیدی مرتبط با هوش مصنوعی آلفا فولد 2 (AlphaFold2) متعلق به شرکت دیپ‌مایند از زیرمجموعه‌های گوگل، سپری کرد. آلفافولد2 یک شبکه عصبی است که می‌تواند ساختار سه‌بُعدی یک پروتئین تا شده را از روی رشته تک‌بُعدی مولکول‌های اسید آمینه‌اش پیش‌بینی کند.
 برای مثال، در کشف دارو، زیست‌شناسان از آن برای شناسایی اهداف دارویی جدید و مولکول‌های 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 می‌کند. این پیشرفت‌های فزاینده نشان‌دهنده یک تغییر بنیادی در رابطه بین زیست‌شناسی و علوم رایانه بود.

پل آدامز (Paul Adams) از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در این مورد می‌گوید: این امر زیست‌شناسی ساختاری را از بسیاری جهات مثبت، تغییر می‌دهد. این فقط باعث می‌شود این زمینه هیجان انگیزتری برای کار باشد.
چرا آلفا فولد 2 اهمیت دارد؟
پروتئین‌ها مولکول‌های اساسی در بدن موجودات زنده هستند و ساختار سه‌بُعدی آنها نقش کلیدی در عملکردشان دارد. دانستن شکل دقیق یک پروتئین می‌تواند در درمان بیماری‌ها، طراحی داروهای جدید، درک بهتر زیست‌شناسی سلولی و مهندسی پروتئین‌های مصنوعی کمک کننده باشد. تا پیش از توسعه آلفافولد محققان برای تعیین ساختار پروتئین‌ها از روش‌هایی مانند کریستالوگرافی پرتو ایکس و میکروسکوپی کرایو-الکترونی استفاده می‌کردند که بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر بود. آلفا فولد در مقابل می‌تواند در عرض چند ساعت ساختار پروتئین‌ها را با دقت آزمایشگاهی پیش‌بینی کند.

در ماه مه، سیستم هوش مصنوعی آلفا فولد 3 نیز منتشر شد که شکل پروتئین‌ها را هنگام تعامل با مولکول‌های دیگر پیش‌بینی می‌کند. سپس، در ماه اکتبر، جایزه نوبل شیمی به جان جامپر (John M. Jumper) و دمیس حسابیس (Demis Hassabis) از دیپ‌مایند گوگل به عنوان خالقان آلفافولد 2 و دیوید بیکر (David Baker) از دانشگاه واشنگتن که انقلابی در طراحی پروتئین‌ها با استفاده از هوش مصنوعی ایجاد کردند، اعطا شد.
لحظات محوری در تکامل: چطور به اینجا رسیدیم؟
این یکی از سؤالات مورد علاقه زیست‌شناسان 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 می‌شناسیم، پیشرفت کردند.
یک گروه بین رشته‌ای جدیدترین روش‌های فیلوژنتیک را که با استفاده از ژن‌ها و ژنوم‌ها برای ساختن درختان تکاملی انجام می‌شود، برای ردیابی تمام حیات مدرن تا اجداد مشترک ما، به کار گرفتند. دانشمندان تصور می‌کنند 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 ویژگی‌های یک سلول زنده را داشته است و جد همه‌ باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها محسوب می‌شود. 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 می‌کرد. این مطالعه نشان داد که لوکا یک سلول شگفت‌آور و پیچیده است که گاز هیدروژن و دی اکسید کربن را متابولیزه می‌کند، سیستم ایمنی ابتدایی دارد و احتمالا در یک اکوسیستم میکروبی زندگی می‌کند که خود تنها بازمانده آن است. این مطالعه همچنین قدمت لوکا را به حدود 4.2 میلیارد سال پیش که قدیمی‌تر از آن چیزی است که محققان تصور می‌کردند، تعیین کرد.
لوکا اولین موجودی بوده است که تمامی ویژگی‌های یک سلول زنده را داشته است و جد همه‌ باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها محسوب می‌شود.
یکی دیگر از لحظات محوری یا به عبارت بهتر، مجموعه‌ای از این لحظات، تکامل چند سلولی بود که نه یک بار بلکه حداقل 25 بار و احتمالا بیشتر اتفاق افتاد. کارل سیمپسون (Carl Simpson)، زیست‌شناس، ظهور چند سلولی حیوانی را در دوره‌ای از تاریخ زمین که سیاره یخ زده بود، دنبال کرد. مطالعه دیگری به این پرسش پرداخت که چرا باکتری‌ها و سایر سلول‌های پروکاریوتی نتوانستند به حیات چند سلولی پیچیده تکامل یابند. پاسخ می‌تواند به یک فرآیند تکاملی به نام رانش ژنتیکی برسد.
باکتری‌ها اشکال ساده چند سلولی مانند زندگی به صورت یک کلونی را ایجاد کرده‌اند، اما نسخه‌های باستانی آنها هرگز مشابه این کار را انجام ندادند. در سالی که گذشت، محققان دریافتند که فشردن سلول‌های باستانی می‌تواند آنها را وادار به تشکیل کلونی چند سلولی و بافت‌های سازه مانند کند.
در چین نیز دانشمندان فسیل‌هایی از یوکاریوت‌های چند سلولی کشف کردند که قدمت آنها به 1.6 میلیارد سال پیش باز می‌گردد و این جدول زمانی تشکیل یوکاریوت‌های چندسلولی را حدود 600 میلیون سال عقب‌تر می‌برد.
ذهن و ادراک غیر انسانی
دانشمندان نسبت به درک جهان به روشی خاص تعصب دارند. ما با چشم می‌بینیم، با گوش می‌شنویم و با اندامی پیچیده به طرز معجزه آسایی که از میلیاردها سلول تشکیل شده است، فکر می‌کنیم. سایر موجودات نیز محیط خود را حس می‌کنند، درک می‌کنند و به آن پاسخ می‌دهند، اما تصور تجربه آنها دشوار است. در سالی که گذشت، زیست‌شناسان ما را تشویق کردند که ذهنمان را در این مورد باز کنیم.
در ماه آوریل، گروهی از زیست‌شناسان، دانشمندان علوم شناختی و فیلسوفان اعلامیه‌ای را امضا کردند که حمایت علمی از «آگاهی خارق‌العاده» را به مجموعه گسترده‌تری از حیوانات، از جمله حشرات، خرچنگ‌ها، اختاپوس‌ها، ماهی‌ها، خزندگان و دوزیستان، گسترش می‌دهد. این موجودات فوق‌العاده هوشیار این ظرفیت را دارند که احساساتی مانند درد یا لذت یا گرسنگی را تجربه کنند، اما لزوما حالات ذهنی پیچیده‌تری مانند خودآگاهی را تجربه نمی‌کنند.

گیاهان به خودی خود هوشیاری ندارند، اما گاهی اوقات نیاز به محاسبات دارند. تحقیقات نشان داد که درختان راش اروپایی می‌توانند طولانی‌ترین روز سال را حس کنند. هر ساله درختان در طول 1500 کیلومتر، از انگلستان تا ایتالیا، مانند عقربه‌های ساعت، تولیدمثل خود را در منظره‌ای به نام ماستینگ هماهنگ می‌کنند. بوم شناسان داده‌های بیش از 60 سال را تجزیه و تحلیل کردند تا نشان دهند که راش‌ها زمان این رویداد را تا انقلاب تابستانی و اوج نور روز در نظر می‌گیرند. مطالعه دیگری به وجود ادراک در علف هرز رشادی (Arabidopsis) پرداخت. به نظر می‌رسد آنها از فضاهای هوایی بین سلول‌های خود برای پراکنده کردن نور و ایجاد یک گرادیان از روشن به کم استفاده می‌کنند تا بتوانند نور را در حین رشد دنبال کنند.
در سالی که گذشت، همچنین محققان کشف کردند که باکتری‌های تک سلولی می‌توانند تغییر فصول را حس کنند. ساعت‌های شبانه‌روزی ساده آنها می‌تواند کوتاه شدن روزها را با نزدیک شدن به زمستان ردیابی کند و به آنها این امکان را می‌دهد تا برای هوای سردتر آماده شوند، حتی اگر آن زمستان برای چندین نسل بعدتر از آنها از راه برسد.
این دنیای آران‌ای است و ما فقط در آن زندگی می‌کنیم
مولکول آران‌ای از زمان کشفش، چیزی کمتر از دی‌ان‌ای در نظر گرفته شده است. این یک مولکول تک رشته‌ای، بی‌دوام و تنها یک پیام‌رسان است. اما تحقیقات به طور فزاینده‌ای نشان داده است که آران‌ای بیش از آن چه فکر می‌کنیم، برای حیات، اهمیت دارد. بیشتر بخش‌های به‌اصطلاح غیرکدکننده ژنوم، در واقع به شکل مولکول‌های آران‌ای رونویسی می‌شوند که نقش‌های غیر پیام‌رسان را در سلول‌ها مانند تنظیم بیان ژن‌ها ایفا می‌کنند. دیدگاه جدیدی در حال ظهور است که بیان می‌کند بسیاری از فرآیندهای ژنوم مهم و پویا ممکن است از طریق آران‌ای انجام شوند. این مفهوم توسط کمیته نوبل که جایزه نوبل پزشکی را به محققانی که میکروآران‌ای (microRNA) را کشف کردند، اعطا کرد، تقویت شد. این مولکول‌های کوتاه، نوعی تنظیم ژن را امکان‌پذیر می‌کنند که زیربنای حیات پیچیده و چند سلولی است. کمیته نوبل جایزه نوبل پزشکی را به «ویکتور امبروس» و «گری راوکون» به خاطر کشف میکرو آران‌ای و نقش آن در تنظیم ژن پس از رونویسی اهدا کردند.

تعداد فزاینده‌ای از تحقیقات همچنین نشان می‌دهد که آران‌ای یک ابزار ارتباطی است. سال گذشته، برای اولین بار، محققان سلول‌های باستانی را یافتند که آران‌ای‌های غیرکدکننده را در وزیکول‌های خارج سلولی مبادله می‌کنند و نوعی سیستم پیامک سلولی برای اشتراک‌گذاری پیام‌های کوتاه مدت و به موقع ایجاد می‌کنند. این کشف تایید کرد که سلول‌های باستانی، باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها همگی می‌توانند این پیام‌های آران‌ای را مبادله کنند. به نظر می‌رسد که انتقال اطلاعات به خارج از سلول ممکن است یکی از نقش‌های ذاتی آران‌ای باشد.
در یکی از عجیب‌ترین اکتشافات سال گذشته، زیست‌شناسان شکل جدیدی از آران‌ای بسیار عجیب و غریب را یافتند که دایره‌های مسطح کوچک‌تر از ویروس‌ بودند و لقب «ابلیسک» به آنها داده شد. این آران‌ای‌های عجیب در باکتری‌هایی که روده و دهان ما را فراگرفته‌اند، زندگی می‌کنند. هنوز کسی نمی‌داند 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 می‌کنید.
نگاهی به درون ذهن

یکی از شگفت انگیزترین اکتشافات سال گذشته در مورد ادغام مغز و بدن بوده است. بیشتر ایمونولوژیست‌ها مدت‌ها بود تصور می‌کردند که سیستم ایمنی به خودی خود تنظیم می‌شود. اما برای اولین بار، محققان یک مدار عصبی واقع در ساقه مغز پیدا کردند که سیستم ایمنی را تنظیم می‌کند. این مدار، مولکول‌های التهابی را در بدن حس می‌کند و سپس سطح آنها را بالا یا پایین می‌کند تا از بافت‌های سالم محافظت کند. این مطالعه نشان‌دهنده علاقه روزافزون به ساختارهایی است که ذهن و بدن را به هم متصل می‌کنند، مانند عصب واگ یا واگوس که طولانی‌ترین عصب مغزی است و مغز را برای راهنمایی پاسخ عاطفی به اندام‌ها پیوند می‌دهد 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 می‌پوشاند. ​​​​​
دنیا پر از چیزهای جدید است و هنگامی که شروع به کاوش کنید، آنها را پیدا می‌کنید.در این سال محققان همچنین در درک چگونگی فعالیت سریع هزاران نورون پیشرفت داشته‌اند. دانیل بندور (Daniel Bendor) از دانشگاه کالج لندن می‌گوید: وقتی تجربه‌ای داریم، نورون‌ها به ترتیب خاصی فعال می‌شوند، گویی در حال شنیدن یک ملودی روی پیانو هستند. در طول استراحت و خواب، هیپوکامپ توالی را دوباره پخش می‌کند، اما سریعتر و به طور بالقوه صدها یا هزاران بار، ‌موج‌های الکتریکی ایجاد می‌کند. با استراحت، این توالی‌ها به احتمال زیاد در خاطرات بلند مدت تثبیت می‌شوند.
در مقیاس بسیار کوچک، دانشمندان علوم اعصاب به مطالعه خود برای بازسازی نورون به نورون مغز ادامه می‌دهند. در سالی که گذشت، دانشمندان گوگل با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی، 5000 تصویر گرفته شده از یک میلی‌متر مکعب از مغز انسان، یا یک میلیونیم کل ساختار را برای ساختن یک نقشه سه‌بعدی 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 نقشه‌برداری کردند. این مغز به اندازه یک دانه شن است و بزرگترین مغزی است که تا به امروز به طور کامل نقشه‌برداری شده است. مغز این جانور با 140 هزار نورون در مقایسه با 86 میلیارد نورون در مغز انسان، نقشه‌برداری شد. مرحله بعدی، پیش از نقشه‌برداری 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 زیست‌شناسی بوده‌ایم و همانطور که انتظار می‌رفت هوش مصنوعی نقش پررنگی در این حوزه همچون حوزه‌های دیگر علمی ایفا کرده است. با توجه به سرعت پیشرفت روزافزون حوزه‌های علمی، انتظار می‌رود سال پیش رو نیز سرشار از اکتشافات مهم در زمینه زیست‌شناسی از نوآوری‌ و اکتشافات بنیادی و ژنتیکی گرفته تا تولید دارو و کشف درمان‌های جدید باشد.