2019 год в биологии

"Вот кто все это знает. Выходит только, что этот твой друг мертв лишь отчасти, — говорит Кудесник Макс в экранизации «Принцессы-невесты". — Между отчасти мертвыми и совсем мертвыми большая разница… Отчасти мертв — значит слегка жив». В фильме парадокс обыгрывается, чтобы зритель улыбнулся, потому что жизнь и смерть представляются вполне самоочевидно противоположными состояниями. И все же, как следует из событий 2019 года, Кудесник Макс что-то знал.

Прошедший год в сфере биологии был богат на сюрпризы, большинство которых выявило запутанные интриги и исключения, усложняющие наши попытки разобраться в мире живых существ. Кроме открытия нескольких доказательств того, что граница между жизнью и смертью бывает размытой, биологи гораздо больше узнали о том, как в ходе эволюции две и более клетки слились в одну, и о математических фокусах, к которым прибегают организмы в ходе развития на стадии эмбриона.

Прогресс в геномном анализе помог частично переписать заново историю о том, как древние люди мигрировали по миру; последняя версия оказалась точнее, но намного более запутанной. Нейробиологи узнали много нового о том, насколько буквально верно утверждение, что мы видим только то, что хотим видеть.

Новые парадигмы жизни, смерти и идентичности

В апреле ученые Йельского университета выступили с заявлением, которое своевременнее звучало бы под Хэллоуин: путем впрыскивания раствора в изъятый мозг свиней, умерших несколькими часами ранее, они успешно реанимировали ткани, что позволило нейронам проводить электрические сигналы. Это стало впечатляющим доказательством того, что смерть не всегда так необратима, как обычно предполагается, но этим дело не ограничилось. В последние годы исследователи наблюдали другие естественные примеры клеток в тканях, которые, казалось бы, поддавались смерти — а затем «перематывали пленку» назад при помощи процесса под названием «анастаз». На самом деле, в значительном количестве исследований было выявлено, что между жизнью и смертью существует серая зона промежуточных состояний, где многие микроорганизмы проводят большую часть своего времени, пережидая суровые условия. Микробиологи подозревают, что значительная часть существующих в природе бактерий — возможно, даже большинство — в любой момент может находиться в спящем состоянии.

Если взглянуть шире, то представляется, что популяции микроорганизмов часто проявляют удивительно разнообразное поведение в качестве своего рода стратегии выживания на черный день. Даже среди генетически идентичных бактерий выявляются необъяснимые изменения в поведении: так, в одном исследовании, появившемся в начале этого года, было доказано, что клонированные клетки могут иметь диаметрально противоположные реакции на токсичный формальдегид. Вирусы увеличивают свои шансы на выживание тоже за счет диверсификации. Как подчеркивалось в другом исследовании, некоторые вирусы даже располагают свои гены во множестве инфицированных клеток и потом соединяют вместе их инфекционные частицы.

Карта воспоминаний и идей в мозге

Чтобы мы могли узнать, где находимся, у нас в мозгу имеются системы, предназначенные для составления ментальных карт нашей окружающей среды и для размещения нас в них. Эпохальное открытие этих систем стало результатом многолетних исследований, начавшихся еще в 1960-х годах; в 2014 году оно было удостоено Нобелевской премии. Значение этой работы с годами с тех пор только выросло, по мере того как стало ясно, что мозг аналогичным образом конструирует и другие виды ментальных карт. Последние эксперименты показали, что мозг использует ту же «сетку» системы для кодирования относительной информации о местоположении, чтобы отслеживать такие абстракции, как идеи, и выстраивать цепочки событий в своего рода личные хроники для наших воспоминаний. В одной работе, появившейся в начале этого года, доказывалось, что способность получать различные воспоминания о событиях связана с тем, как быстро мозг способен кодировать новые представления последовательно происходящих событий.

Но даже карты, предназначенные в нашей голове исключительно для ориентирования в пространстве, несут печать наших впечатлений и желаний. В паре исследований, опубликованных в марте, утверждалось, что наш мозг подвергает ревизии ментальные представления мест, отражающих наш опыт и приоритеты: больше пространства клеток отдается важным для нас местам, что позволяет нам сохранить о них больше нюансов.

Мозг выбирает восприятие

Внимание — загадочный феномен. Когда мы переключаем наше умственное внимание с одной части нашего поля зрения к другому или слушаем вокалистов, исполняющих песню, а не музыкантов, наш воспринимаемый опыт может значительно измениться, при том что попадающие в наш мозг сенсорные стимулы остаются неизменными. Нейробиологи говорят о «фокусе» внимания, потому что может создаться впечатление, будто мы направляем на незначительную долю наших восприятий больше умственных ресурсов, чтобы сосредоточиться на ней. Однако это верно лишь в относительном смысле. Как выяснилось в результате проведенных в этом году экспериментов, мозг сосредотачивает внимание на части своего сенсорного поля, отфильтровывая сигналы для других частей.

Это открытие выстраивается в один ряд со многими другими выводами, выявляющими, что восприятие является активным процессом с обратной связью между высшими когнитивными центрами и низшими центрами сенсорной обработки. Мозг не только постоянно отсевает некоторые стимулы, которые мы считаем менее релевантными, он еще и ускоряет наше восприятие, предвосхищая, какие сенсорные стимулы, вероятнее всего, включатся далее, отталкиваясь от уже пережитого опыта. Наше восприятие, как представляется, также формируется опытом: сопоставительные исследования людей с разным культурным опытом подсказывают, что некоторые характеристики звука (например, мысленное выстраивание музыкальных звуков в октавы) может быть воспринимаемым опытом. Постоянный шквал поступающих ощущений может создавать катастрофическую проблему для обработки данных нашим мозгом, но в этом году ученые доказали, что, когда мозг кодирует информацию, он использует закон силы, чтобы продуктивно сбалансировать количество содержащихся в ней деталей.

Использование ДНК для реконструкции прошлого

Геномы существующих организмов содержат в себе запись их эволюционного развития — если вы знаете, как их читать. При появлении все большего количества геномных последовательностей расширяющегося разнообразия видов ученые целенаправленно прочесывают образцы старого и нового ДНК, чтобы получить возможность заглянуть в прошлое жизни. ДНК человека — не только живых людей, но и древних популяций, от которых сохранились образцы костей — открыла нам несколько сюрпризов как раз о последних. В опубликованном в июне исследовании подтверждалось, что современные люди мигрировали из Африки не однажды 60 тысяч лет назад. Напротив, популяции не раз селились в Африке и покидали ее, однако лишь в результате исхода, произошедшего 60 тысяч лет назад, появились их современные потомки в Европе и Азии. В результате этих сложных переселений некоторые люди до сих пор являются носителями несколько большего количества ДНК неандертальцев, чем предполагалось ранее, а неандертальцы взяли еще больше ДНК от наших предков. Геномы древних денисовских людей выявили некоторые свидетельства скрещивания с еще более древним, но еще не опознанным населением, жившим в Евразии — возможно, это были остававшиеся представители еще более древнего вида homo erectus. Другое геномное исследование, проведенное в январе, также выявило следы ранее неизвестной популяции, скрещивавшейся с современными людьми. Эта популяция могла быть гибридом неандертальцев и денисовцев.

В ДНК, не принадлежащей человеку, также можно увидеть увлекательные проблески исчезнувших эпох. Обломки генетического материала, найденные в пещерных отложениях, помогли исследователям реконструировать часть экосистемы, существовавшей 80 тысяч лет назад. Морские микробиологи проанализировали геном красивого сепиолида, пытаясь понять, с чем связано происхождение его биофлуоресцентного органа, находящегося в зависимости от симбиотических бактерий. Но одним из следствий этого изобилия новых идей является то, что некоторые биологи все больше недовольны традиционной биологической таксономией Линнея, так как эта система противоречит реалиям того, как работает эволюция.

Новые версии происхождения биологического разнообразия

Ряд наиболее важных, но глубоко таинственных вех истории эволюции отмечают точки резкого скачка сложности живущих существ. Около 2,7 миллиарда лет назад появились сложные эукариотические клетки, после того как прокариотические клетки и живущие внутри них симбиотические партнеры вывели свои отношения на более тесный уровень. Поскольку эндосимбионты стали органеллами, подобными митохондриям, их гены должны были быть поглощены собственным геномом хозяина — и это изменение трудно смоделировать как постепенный эволюционный процесс. Но в этом году ученые поняли, как это сделать, взглянув на странный трехсторонний симбиоз, в котором все клеточные партнеры были взаимозависимы. Исследователи также уделили больше внимания разрозненным функциональным структурам в бактериях, чтобы узнать, являются они предшественниками истинных органелл или совершенно отдельных эволюционных инноваций.

Более сложными организмы также стали, когда получили многоклеточную структуру. В новом исследовании о медузах, одной из древнейших групп животных, было обнаружено доказательство того, что структурная сложность может увеличиться даже без сопоставимого увеличения генетической сложности. В рамках любопытного открытия ученые нашли доказательства того, что эволюция конкретных типов клеток в многоклеточных организмах могла строиться на недооцененной способности временно специализироваться на одноклеточной жизни.

Математические прозрения

В эмбрионе клетки распознают, какого рода тканью они должны стать, «считывая» концентрации «морфогенетических» химических сигналов вокруг себя. Однако важные подробности о том, как клетки осуществляли свой расчет, были покрыты тайной — пока в январе не было опубликовано посвященное им исследование. Ранее считалось, что идентичность клеток определялась постепенно, а их конкретное предназначение устанавливалось точнее по мере развития. Однако в новом исследовании указывалось, что клетки расшифровывают информацию из внешних химических сигналов с оптимальной эффективностью, а это подразумевает, что о своем предназначении клетки узнают на очень ранней стадии своего развития.

Математические таланты клеток вскрылись и в ряде других исследований в этом году. Биологи не могли объяснить, как именно клетки способны поддерживать столь точный контроль над собственной физиологией — а это требует своего рода контроля за дегенерацией, который инженеры называют надежной идеальной адаптацией. Далее прошлым летом исследователи продемонстрировали синтетическую систему, показавшую, как клетки могут это проделывать. Исследования летающих стай мошек подтвердили, что у насекомых в стае проявлялись те же эффекты, что и у жидкости, которые, возможно, помогают стае держаться вместе. В других исследованиях, предметом которых стало поведение роя насекомых с децентрализованным управлением, ученые пришли к выводу, что рой оказывается функциональнее, когда составляющие его отдельные части не слишком сложны — потому что упрямство умных членов роя могут замедлить его реакцию.