۲۰۲۱ سال زیست‌شناسی

درک دقیق عملکرد مغز و اجسام چند سلولی امسال به اوج جدیدی رسید، درحالی‌که ژنوم ویروس کووید-۱۹ و موجودات مختلف شگفتی‌های بیشتری را به همراه داشت.

سه و نیم میلیارد سال فرگشت به زندگی بر روی زمین زمان زیادی برای کشف حاشیه‌های ممکن داده است، بنابراین علم زیست‌شناسی کارهای زیادی برای انجام دادن دارد. زیست شناسان برخی از اصول و مکانیسم‌های اساسی را شناسایی کرده‌اند که بر حوزه آن‌ها حکمرانی می‌کند، مانند انتخاب طبیعی، ماهیت سلولی موجودات و اصل زیست‌شناسی مولکولی.

آن‌ها تلاش کرده‌اند تا نه‌تنها تنوع آنچه را که چارلز داروین «زیباترین و شگفت‌انگیزترین اشکال بی‌پایان» می‌نامد، بلکه کهکشان‌های میکروسکوپی پیچیده در سطح سلولی درون آن‌گونه‌ها را فهرست بندی کنند. آن‌ها حتی در درک ماده شیمیایی پیچیده‌ای که سلول‌ها، ارگانیسم‌ها و اکوسیستم‌ها را زنده می‌کند، پیشرفت کرده‌اند.

بااین‌حال، جهان زنده هرگز از غافلگیری دست برنمی‌دارد. مسائل مختلف تجربی مانند خاک و خواب اسرار را در خود جای‌داده‌اند و برخی اکتشافات و فرضیات قدیمی دانشمندان را در مورد آنچه حتی ازنظر بیولوژیکی امکان‌پذیر است را از بین می‌برد.

برای مثال، این‌یک اصل دیرینه بیوشیمی بوده است که خواص مفید مولکول‌های پروتئین تا حد زیادی به نحوه تا کردن زنجیره‌های اسیدآمینه خود به شکل دقیق بستگی دارد؛ اما یکی از داغ‌ترین موضوعات این روزها در علم پروتئین، مطالعه پروتئین‌های چکش‌خوار و توده‌های مولکول‌های پروتئینی به نام رسوب است که طیف وسیعی از فرآیندهای حیاتی را در سلول‌ها کنترل می‌کنند و دقیقاً به این دلیل کار می‌کنند که به‌جای ثابت شدن در یک واحد، سیال هستند.

درس‌های همه‌گیری

با توزیع گسترده‌تر واکسن‌ها علیه کووید-۱۹ در سال ۲۰۲۱، بخش‌هایی از جهان برای مدت کوتاهی شروع به خارج شدن از زیر این همه‌گیری کردند، حتی زمانی که ظهور واریانت دلتا و سایر اشکال ویروس SARS-CoV-2 تأکید کرد که بحران برای اپیدمی‌ها تمام نشده است.

درس سخت دو سال گذشته این بود که ابزارهای آماری، نظام‌های بهداشت عمومی و پروتکل‌های ارتباطی که بر آن‌ها تکیه می‌شود، کاملاً برای مقابله با ویروسی به این چالش‌برانگیزی آماده نیستند. حتی در حال حاضر، نگرانی‌هایی وجود دارد که نظام‌های نظارت ویروسی در سراسر جهان ممکن است برای نظارت بر ظهور گونه‌های جدید بالقوه خطرناک SARS-CoV-2 ناکافی باشند.

Photo of Rafflesia arnoldii growing on vines in Indonesian forest.

مجموعه‌ای بدبو از شگفتی‌های ژنتیکی

یک گیاه انگلی خارق‌العاده بومی آسیای جنوب شرقی بیشتر عمر خود را به‌عنوان رشته‌ای از سلول‌ها می‌گذراند که در داخل گیاهان دیگر رشد می‌کنند، سپس به‌عنوان یک گل غول‌پیکر شکوفا می‌شوند که به وزن یک بچه کوچک است و بوی گوشت گندیده می‌دهد.

اما شگفت‌انگیزترین واقعیت در مورد این‌گونه از «گل جسد» ممکن است چیزی باشد که در ژنوم آن وجود دارد که در اوایل امسال منتشر شد. ساپریا هیمالایانا تقریباً نیمی از ژن‌هایی را که در گیاهان دیگر به‌شدت حفظ‌شده‌اند، ازجمله ژن‌هایی که زیست‌شناسان آن‌ها را ضروری می‌دانستند، ازدست‌داده است. باوجوداین کاهش‌ها، ژنوم آن هنوز به‌طور غیرمنتظره‌ای بزرگ است و یکی از دانشمندان آن را «قبرستان عظیم DNA» می‌نامد که از گونه‌های دیگر ربوده‌شده و توسط تعداد زیادی کپی از عناصر ژنتیکی متحرک به نام ترانسپوزون‌ها متورم شده است.

هرچند ساپریا عجیب است، DNA عجیب آن مظهر چندین موضوع اخیر در اکتشافات ژنومی است. به‌طور فزاینده‌ای واضح است که ترانسپوزون ها با ساختن کپی از خود و پریدن به اطراف درون و بین کروموزوم‌ها، می‌توانند ژنوم ارگانیسم را دوباره سیم‌کشی کنند و انتقال افقی DNA بین گونه‌ها را تسهیل کنند. هم در گیاهان و هم در جانوران، به نظر می‌رسد انتقال افقی بسیار رایج‌تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد و محققان هنوز در تلاش هستند تا اهمیت آن‌ها را در تکامل دریابند.

Micrograph of snowflake yeast.

تکامل اجسام چند سلولی

پیچیدگی فراوان و سرسبز حیات بر روی زمین وجود خود را مدیون دودمان موجودات تک‌سلولی است که در ۳٫۵ میلیارد سال گذشته ده‌ها بار با پرش‌های سرنوشت‌ساز را به چند سلولی رساندند. با توجه به اینکه مزایای تکاملی چند سلولی اغلب در مراحل اولیه آن آشکار نیست، محققان هنوز در تلاش‌اند تا بفهمند این انتقال چگونه و چرا اتفاق افتاده است. مطالعات تجربی با جلبک‌ها، مخمرها و سایر گونه‌های تک‌سلولی نشان داده‌اند که اگر به‌هم‌پیوسته آن‌ها حتی یک مزیت ثابت به همراه داشته باشد، مانند آسیب‌پذیری کمتر آن‌ها در برابر شکار، می‌تواند آن‌ها را وادار کند که در مدت‌زمان بسیار کوتاهی چند سلولی شوند.

بااین‌حال، توسعه یک بدن چند سلولی تنها اولین قدم است. چالش عمده دیگر در تمایز سلول‌های همکار به بافت‌های مجزا با عملکردهای تخصصی نهفته است. سرنخ‌های مهمی برای این فرآیند از کار جدیدی که نحوه تکامل یک غده دفاعی در یک سوسک را بازسازی می‌کرد، پدیدار گشت.

An artist’s conception of the ways that functional capacities have been mapped to regions of the brain.

بازاندیشی در نحوه عملکرد مغزها

در کتاب‌های درسی علوم اعصاب مقدماتی، مغز اغلب مانند یک کره نامتقارن از جهان ترسیم می‌شود که سطح آن به‌شدت به مناطق مجزا برای ادراک، حافظه، گفتار، آگاهی و سایر توانایی‌ها تقسیم‌شده است. این دیوارک‌های منظم منعکس‌کننده انبوهی از داده‌های بالینی و تجربی هستند، اما آن‌ها همچنین به تجربه ذهنی ما از این فرآیندها به‌عنوان دسته‌های قابل‌تفکیک عملکرد ذهنی اشاره می‌کنند.

بااین‌حال تجربه می‌تواند فریبنده باشد. شواهد فزاینده نشان می‌دهد که این اشتباه است که باور کنیم ظرفیت‌های ما به مسیرهای جداگانه در نواحی آناتومیک مجزای مغز تقسیم‌شده است. در بررسی دقیق‌تر، بخش‌هایی از مغز که شدیداً با عملکردهای خاص مرتبط هستند، گاهی اوقات با عملکردهای غیرمنتظره متفاوتی نیز مرتبط می‌شوند: برای مثال، بیشتر فعالیت در مراکز ادراک مغز با حرکات بدن مرتبط است. دانشمندان علوم اعصاب هنوز در حال بررسی اهمیت این کشف هستند، اما به توضیح مشاهداتی کمک می‌کند که «صدای» پس‌زمینه اندازه‌گیری شده در سیگنال‌های الکتریکی مغز، اطلاعات مربوط به آنچه بدن انجام می‌دهد را رمزگذاری می‌کند.

شگفتی‌ها همچنین امسال در سیستم مغزی دیگری که محققان فکر می‌کردند دهه‌ها پیش ابهام‌زدایی کرده بودند، آشکار شد. محققان نشان داده‌اند که شبکه‌ای از سلول‌های شبکه‌ای در مغز ما را قادر می‌سازد تا مکان‌هایی را که در فضا هستیم نقشه‌برداری کنیم و همچنین به نظر می‌رسد به ما در پیگیری خاطرات و مفاهیم انتزاعی کمک می‌کند. اکنون به نظر می‌رسد که این سیستم شبکه زیبا فقط برای نقشه‌برداری در دو بعد کار می‌کند. به نظر می‌رسد ما و سایر پستانداران برای دانستن اینکه در کجای سه‌بعدی قرار داریم، به یک سیستم پیچیده‌تر و کمتر درک شده متکی هستیم.

راز باستانی خواب

برای مدت طولانی، دانشمندان خواب را عمدتاً به‌عنوان یک پدیده عصبی موردمطالعه قرار می‌دادند: آگاهی و رفتار ما آشکارا وقتی به خواب می‌رفتیم تغییر می‌کرد، اما به نظر می‌رسید فیزیولوژی ما تقریباً مانند زمانی است که آرام و بی‌حرکت بودیم. این دیدگاه در طول چند دهه گذشته به‌طور قابل‌توجهی تغییر کرد، اما زمانی که آزمایش‌ها تغییرات شیمیایی ظریفی را در بدن در طول خواب تشخیص دادند و شواهدی پیدا کردند که حتی موجوداتی با مغز ابتدایی هم می‌خوابند. این روند در سال جاری با کشف این موضوع به اوج خود رسید که هیدرا، حیوان کوچک و به‌قدری ساده که فاقد سیستم عصبی مرکزی است، بخشی از هر چهار ساعت را در خواب می‌گذراند. اکنون به نظر می‌رسد که وقتی اولین چرت یک میلیارد سال پیش رخ داد، ممکن است عملکرد متابولیکی داشته باشد که به سلول‌ها کمک می‌کند خود را ترمیم کنند.

انطباق اتصالات

در دهه ۱۹۷۰، دانشمندان علوم اعصاب تلاشی بلندپروازانِ برای تعریف اینکه چگونه تمام نورون‌های موجود در یک حیوان بسیار ساده مثل کرم گرد Caenorhabditis elegans، به هم متصل شده‌اند، انجام دادند. در تئوری، «کانکتوم» حاصل باید سنگ بنای درک همه رفتارها و پاسخ‌های بالقوه کرم باشد. پنج دهه بعد، محققان یک اتصال کامل و بهینه‌شده برای کرم دارند – اما هنوز هم تنها حیوانی است که می‌توان در مورد آن این موضوع را گفت.

بااین‌حال، در سال ۲۰۲۱، دانشمندان علوم اعصاب اتصالات جزئی را برای چندین موجود، ازجمله انسان، منتشر کردند که نشان می‌داد حوزه کانکتومیک با چه سرعتی در حال گسترش است. محققان دانشگاه هاروارد و گوگل اتصالی برای یک میلی‌متر مکعب از بافت مغز انسان به اشتراک گذاشتند که انواع منحصربه‌فرد نورون‌ها و شگفتی‌های دیگر را نشان می‌داد. محققان همچنین اطلاعاتی درباره اتصال مگس‌های میوه منتشر کردند که شامل مدار ناوبری آن‌ها می‌شد. بااین‌حال، برخی از محققان فکر می‌کنند مهم‌ترین پیشرفت ممکن است ظهور کانکتومیک در مقیاس بزرگ یا مقایسه‌ای باشد: توانایی جمع‌کردن اطلاعات از چندین فرد در کانکتوم یک‌گونه که ممکن است برخی از قوانین حاکم بر نحوه اتصال نورون‌ها به یکدیگر و نحوه اتصال آن‌ها را آشکار کند. تغییرات در آن مدارهای عصبی بر ارگانیسم‌ها تأثیر می‌گذارد.

A cutaway of thick brown soil with grasses on top.

خاک‌ها نمی‌توانند تغییرات اقلیمی را نجات دهند

ما برای به حداقل رساندن اثرات تغییرات آب‌وهوایی ناشی از گازهای گلخانه‌ای در دهه‌های آینده به همه کمک‌هایی که می‌توانیم دریافت کنیم، نیاز داریم و متأسفانه، اقلیم شناسان ممکن است میزان کمکی را که می‌توانیم از یک فرآیند در طبیعت انتظار داشته باشیم، بیش‌ازحد برآورد کرده باشند. مقدار دی‌اکسید کربن موجود در اتمسفر در هر زمان نشان‌دهنده اثر مجموع منابع کربنی مانند سوزاندن سوخت‌های فسیلی و «جذب کربن» است که آن را از گردش خارج می‌کند. نمونه‌ای از دومی روشی است که گیاهان می‌توانند کربن را در خاک به‌صورت زنجیره‌های کربوهیدرات طولانی به نام هوموس جذب کنند. ازآنجایی‌که به نظر می‌رسید هوموس مدت زیادی دوام می‌آورد، بسیاری از مدل‌های آآب‌وهوای جهانی روی آن حساب کرده‌اند تا مقادیر قابل‌توجهی از کربن اضافی را جذب کند؛ اما در حدود یک دهه گذشته، مطالعات میان‌رشته‌ای بی‌سروصدا انقلابی در علم خاک ایجاد کرده است ثابت کرده‌اند که در خاک‌های طبیعی گرم شده، هوموس به‌طورمعمول خیلی زودتر از حد انتظار تجزیه می‌شود. احتمالاً نمی‌توان انتظار داشت که خاک‌های بدون حفاظت در جنگل‌های سراسر جهان مقدار زیادی دی‌اکسید کربن بیش‌ازحد را در خود نگه‌دارند. محققان هنوز در حال بررسی هستند که آیا می‌توان برخی از موجودات را برای به دام انداختن کربن به‌طور دائمی‌تر تغییر داد.

 

Quanta Magazine Vector Logo

درباره Faez Ehya

می‌خواهم اینجا خانه مجازی من باشد. هر آنچه در زندگی من مهم است اینجا می‌آورم. اما هیچ چیز مهمتر از عشق نیست. آن‌را در قلبم نگهبانی می‌کنم. فائزاحیا

شاید این را هم بخواهید مطالعه کنید.

راز قارچ‌های میکوریز

به نظر می‌رسد دو نوع اصلی میکوریزا، اکتومیکوریزا و میکوریزا آربوسکولار، به طرق مختلف بر تنوع گونه‌های درختی در جنگل‌ها تأثیر می‌گذارند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوازده − 1 =