Людський мозок — одна з найскладніших структур у природі, яка відрізняє наш вид від усіх інших. Розуміння того, як він еволюціонував, залишається одним із найзахопливіших питань науки. Нове дослідження Єльського університету пропонує свіжий погляд на цю таємницю, вивчаючи конкретні генетичні зміни, що вплинули на розвиток мозку. Вивчаючи клас генетичних регуляторів, відомих як людські прискорені регіони (HARs), вчені з’ясували, як ці послідовності тонко налаштовують експресію генів. Отримані результати кидають виклик попереднім уявленням і виявляють набагато складніший механізм. Це дослідження не лише поглиблює знання про еволюцію людини, а й проливає світло на стани, пов’язані з роботою мозку, зокрема аутизм і шизофренію.

Роль людських прискорених регіонів

HARs — це ділянки ДНК, що еволюціонували набагато швидше у людей, ніж в інших видів. Вони регулюють активність генів, визначаючи, коли, де та в якій кількості ці гени експресуються. Науковці давно підозрювали, що HARs відіграли ключову роль у формуванні людського мозку, але їх точний вплив залишався незрозумілим. Попередні дослідження припускали, що HARs можуть керувати різними генами у людей і шимпанзе, наших найближчих приматних родичів. Однак нове дослідження малює іншу картину. Замість зміни набору керованих генів, HARs, схоже, регулюють активність уже існуючих генів, впливаючи на формування, ріст і взаємодію нейронів. Цей тонкий, але потужний механізм, ймовірно, сприяв розвитку унікальних когнітивних здібностей людини.

Генетичні взаємодії в мозку людини

Щоб зрозуміти вплив HARs, дослідницька група застосувала передові методи для вивчення їхньої взаємодії з генами та нейрональними стовбуровими клітинами. Дослідження очолив Джеймс Нунан, професор генетики в Єльській медичній школі.

«Результати показують, що HARs здебільшого регулюють ті самі гени у людей і шимпанзе, особливо ті, що відповідають за розвиток мозку. Однак HARs змінюють рівні експресії генів у людей, що свідчить про те, що еволюційні зміни функцій мозку виникли не через створення нових генетичних шляхів, а через коригування їхньої роботи», — пояснив Нунан.

Еволюція мозку відбувалася через тонке налаштування експресії генів, а не через створення нових шляхів. Це відкриття кидає виклик давнім теоріям і відкриває нові напрями досліджень.

Визначення цільових генів

Розуміння того, які гени регулюються HARs, є ключовим для розкриття їхньої ролі в еволюції. Раніше вчені могли визначити цільові гени лише для невеликої частки HARs — від 7 до 21%. Це обмеження виникало через технологічні труднощі. Попередні дослідження використовували менш точні методи, через що складно було точно визначити, які гени контролюються HARs.

Картографування людського мозку

Щоб подолати ці труднощі, команда Єльського університету застосувала інноваційний метод тривимірного картографування геному. Цей підхід дозволив їм відстежити взаємодію HARs з генами в нейрональних стовбурових клітинах людини та шимпанзе. Завдяки цьому дослідники змогли ідентифікувати цільові гени майже для 90% усіх HARs — значний прорив у цій галузі.

«Отримавши повнішу картину, тепер відкривається величезне поле для подальших досліджень», — зазначив Атрейо Пал, аспірант генетики Єльського університету та перший автор дослідження.

Ранній розвиток мозку і психічне здоров’я

Багато генів, що регулюються HARs, активні на ранніх етапах розвитку мозку. Вони впливають на формування нейронів, спрямовують їхній ріст і забезпечують правильну комунікацію між клітинами мозку. Деякі гени, контрольовані HARs, пов’язані з такими неврологічними розладами, як аутизм і шизофренія. Це свідчить про те, що, хоча HARs відіграли ключову роль в еволюції людського мозку, вони також могли сприяти розвитку психічних порушень.

«Наші результати показують, що цільові гени HARs експресуються в певних клітинних типах у мозку, зокрема в тих, що могли сприяти збільшенню його розміру», — додав Пал.

Нові можливості для досліджень

Відкриття додаткових цільових генів HARs знаменує собою поворотний момент у вивченні еволюції людини. Тепер у науковців є чіткіше уявлення про те, як генетичні зміни впливали на розвиток мозку.

«Раніше ми не знали, які гени контролюються HARs або які їхні біологічні функції. У нас не було повної картини. Тепер це відкриває нові можливості для розуміння, як HARs вплинули на еволюцію мозку», — підкреслив Нунан.

Завдяки новим методам і розширеній базі знань дослідники зможуть глибше вивчити питання людського інтелекту, функціонування мозку та генетичних механізмів, що сформували наш вид. Це дослідження є важливим кроком до розкриття генетичного коду, який зробив нас унікальною біологічною істотою. Дослідження опубліковано в журналі Cell.

Арктика, яку довгий час вважали віддаленою та крижаною пустелею, стає теплішою та зазнає драматичних змін. Колись символ стійкості перед силами природи, вона тепер є одним із найбільш вразливих регіонів планети. Зростання глобальних температур не лише змінює її фізичний ландшафт, а й загрожує тендітним екосистемам і громадам, які залежать від неї. Майбутнє Арктики – це не віддалена проблема, воно вже розгортається зараз, і його наслідки відчуватимуться в усьому світі.

Світ перетнув небезпечну межу

У 2024 році світ досяг тривожного порогу: середня глобальна температура вперше перевищила на 1,5°C (2,7°F) доіндустріальні рівні. Ця подія спричинила ланцюгову реакцію екстремальних погодних явищ, включаючи безпрецедентні зливи та повені в пустелі Сахара і жорстокі теплові хвилі на кількох континентах. Попри багаторічні попередження вчених, реальність змін клімату стає неможливо ігнорувати.

Майбутнє планети, що нагрівається

Перевищення 1,5°C ніколи не мало бути кінцевою межею. Вчені давно попереджали, що без рішучих дій температури продовжать зростати. Згідно з поточними зобов’язаннями урядів щодо скорочення викидів парникових газів, до кінця століття планета може прогрітися на 2,7°C (4,9°F) вище доіндустріальних рівнів. Такий рівень потепління матиме катастрофічні наслідки, і жоден регіон Землі не відчує їх так гостро, як Арктика. Арктика нагрівається швидше, ніж будь-яка інша частина планети. Льоди, що існували тисячі років, зникають. Вічна мерзлота, яка зберігає величезні запаси вуглецю, починає танути. Ці зміни не залишаться локальними. Їхній вплив пошириться на всю планету, змінюючи погодні умови, рівень моря та екосистеми способами, які ми ще не до кінця розуміємо.

Доля Арктики в розігрітому світі

У статті, опублікованій у журналі Science, дослідники проаналізували швидкі зміни, що відбуваються в Арктиці. Дослідження очолила Джулієнн Строув, старший науковий співробітник Національного центру даних про сніг та лід (NSIDC) та професор Центру наук про спостереження Землі при Манітобському університеті. Науковці представили детальний огляд того, як подальше потепління змінить арктичний ландшафт і які наслідки це матиме для всієї планети.

«Арктика нагрівається у чотири рази швидше, ніж решта планети», – каже Строув.

«При глобальному потеплінні на 2,7°C ми побачимо ще більш екстремальні та ланцюгові наслідки в цьому регіоні, включаючи літні періоди без морського льоду, прискорене танення Гренландського льодовикового щита, масову втрату вічної мерзлоти та екстремальні температури повітря». «Ці зміни зруйнують інфраструктуру, екосистеми, вразливі громади та дику природу».

Тривожні трансформації Арктики

Результати дослідження ґрунтуються на Шостому оціночному звіті Міжурядової групи експертів ООН зі змін клімату (IPCC). Науковці оновили попередні знання, зосередившись на трьох критично важливих аспектах змін в Арктиці: морському льоді, Гренландському льодовиковому щиті та вічній мерзлоті. Аналіз наявних даних показав, що якщо глобальні температури підвищаться до 2,7°C, арктичне повітря стабільно перевищуватиме історичні екстремуми.

Морський лід, який колись вкривав Арктичний океан цілий рік, зникатиме на кілька місяців кожного літа. Гренландський льодовиковий щит, що містить достатньо льоду, щоб значно підвищити рівень світового океану, зіткнеться з розширенням областей, де температура поверхні залишатиметься вище нуля протягом тривалого часу. Вічна мерзлота скоротиться до половини свого доіндустріального рівня, що вивільнить ще більше вуглецю в атмосферу, посилюючи глобальне потепління.

Глобальний вплив потепління Арктики

Втрата арктичного льоду – це не лише регіональна проблема. Арктика відіграє ключову роль у регулюванні клімату планети. Як природний «холодильник» Землі, вона відбиває сонячне світло і допомагає охолоджувати атмосферу. Але коли лід тане, темніша океанічна поверхня поглинає більше тепла, прискорюючи процес потепління в циклі, відомому як арктичне підсилення. Ця зміна матиме серйозні наслідки далеко за межами полярних регіонів. Танення Гренландського льодовикового щита сприятиме підвищенню рівня моря, загрожуючи прибережним містам і малим острівним державам.

Зміни в арктичних погодних системах дестабілізують глобальний клімат, спричиняючи частіші та інтенсивніші шторми, посухи та екстремальні температури в регіонах, далеких від полюсів. Розморожування вічної мерзлоти вивільнить величезні обсяги парникових газів, ще більше посилюючи глобальне потепління та ускладнюючи боротьбу зі зміною клімату.

Людська діяльність та потепління Арктики

Дослідження слугує нагадуванням про те, що саме людська діяльність є головною причиною цих змін. Вибір, який ми робимо сьогодні, визначатиме майбутнє Арктики та всієї планети. Співавтор дослідження, професор полярних досліджень Гамбурзького університету Дірк Ноц, наголошує:

«Наша робота показує, що вже сьогодні людство має силу стерти з лиця Землі цілі ландшафти». «Було б чудово, якби ми усвідомили цю силу і відповідальність, що з нею пов’язана, адже майбутнє Арктики справді у наших руках».

Час діяти – зараз

Дослідження базується на даних проектів Sea Ice Today та Ice Sheets Today від NSIDC, що аналізують стан арктичних льодовиків. Результати лише додають доказів того, що зміни клімату – це не віддалена загроза. Вони відбуваються зараз, і їхній вплив посилюється. Доля Арктики ще не вирішена. Найгірших сценаріїв можна уникнути, але для цього потрібні глобальні зусилля. Уряди мають скоротити викиди, бізнеси – інвестувати в сталі рішення, а люди – вимагати змін. Те, чи залишиться Арктика символом стійкості, залежить від дій, які ми вчиняємо сьогодні.

Просте синє забарвлення може змусити дерева розкрити свої спогади про холодні літа та вулканічні зими, як показує недавнє дослідження, відкриваючи новий спосіб точно реконструювати давні кліматичні умови за допомогою аналізу деревини. Поєднання біологічних барвників сафраніну та астра-блакитного дозволяє виявити нестачу лігніну – сполуки, що зміцнює та захищає стінки рослин. Коли дерева та чагарники переживають холодні періоди й ростуть неправильно, процес лігніфікації може порушуватися.

Нове дослідження, проведене міжнародною командою вчених, свідчить про те, що сині кільця, що утворюються в результаті фарбування матеріалу з дефіцитом лігніну, можуть бути надійними індикаторами кліматичної історії. Вони дозволяють простежити зміни умов росту дерев протягом останніх століть.

Для подальшого аналізу цього зв’язку команда взяла зразки з 25 дерев сосни звичайної (Pinus sylvestris) і 54 кущів звичайного ялівцю (Juniperus communis) з регіону гори Ішкорас на півночі Норвегії, прямо на межі північної лінії дерев. Нанесення на зразки барвника сафранін забарвлює клітини в яскраво-рожевий колір. коли зразок деревини потім забарвлюється астра-блакитним, клітинні стінки без достатньої кількості лігніну втрачають свій рожевий колір і темніють, залишаючи чітко визначені кільця.

«Блакитні кільця виглядають як незавершені кільця росту та пов’язані з холодними умовами протягом вегетаційного періоду», — каже Агата Бухвал, дендроеколог з Університету Адама Міцкевича в Польщі. «Загалом ми знайшли більше блакитних кілець на деревах, ніж на чагарниках. Чагарники, здається, більш пристосовані до охолодження, ніж дерева, тому, ймовірно, чагарники зустрічаються північніше».

Трохи більше 2 відсотків кілець сосен і 1 відсоток кілець кущів ялівцю стали синіми, що говорить про те, що сосни більш чутливі до холоду, менш стійкі та мають кращі кліматичні показники. У 1902 році спостерігалося значне зниження виробництва лігніну (з синіми кільцями в 96 відсотках кілець сосен і 68 відсотках у ялівцевих кущах) і в 1877 році (де блакитні кільця спостерігалися в 85 відсотках соснових кілець і 36 відсотках ялівцевих кілець), які, на думку дослідників, пов’язані з холодним літом і, можливо, віддаленим вулканом. виверження – з тих літ.

«Літні температурні умови в 1902 і 1877 роках були особливо несприятливими для росту деревних рослин», — пишуть дослідники у своїй опублікованій статті. «Однак майбутні дослідження повинні також перевірити, чи поява блакитних кілець не спричинена або спричинена нестачею вологи чи іншими некліматичними факторами».

Лише нещодавно вчені почали вивчати блакитні кільця, і залишається багато невизначеності щодо того, як вони відрізняються між видами рослин і різними територіями, і наскільки тісно вони можуть бути пов’язані з низькими температурами. Дані, зібрані тут, вносять свіжу ясність у поле та свідчать про те, що різнокольорові кільця можна використовувати як докази змін у періодах вирощування, сезонних температурах і навіть глобальних кліматичних явищах.

«Ми сподіваємося надихнути інші дослідницькі групи шукати блакитні кільця у своїх матеріалах», — каже Бухвал. «Було б чудово створити мережу блакитного кільця на основі дерев і кущів, щоб реконструювати події похолодання на північній лінії дерев протягом тривалого часу». Дослідження опубліковано в Frontiers in Plant Science.