2024年，當(dāng)很多人熱衷于探討AI是否擁有意識時，很多生物學(xué)家則在試圖理解那些與我們共享一個祖先的生物伙伴們的“內(nèi)心”世界。
近日，美國Quanta雜志（Quanta Magazine）回顧了2024年生物學(xué)領(lǐng)域的幾項重要發(fā)展，其中包括人工智能（AI）與生物學(xué)的深度融合、對遺傳物質(zhì)RNA（核糖核酸）的探索以及對進化與心智等問題的追問。
很多發(fā)現(xiàn)沖擊了人們對生物學(xué)以及生命的理解，比如計算機科學(xué)家在回答生物問題上走在了生物學(xué)家前面、生命的核心可能不是DNA、大腦可以調(diào)控免疫系統(tǒng)等。
“這一年，科學(xué)家們在我們對生命運作基本理解方面取得了許多重要進展�！痹撾s志寫到，“這些研究中任何類型的發(fā)現(xiàn)都能帶來驚喜和愉悅，但顛覆性的假設(shè)更令人興奮。”
生物學(xué)的AI革命
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的人工智能程序正以其強大的預(yù)測能力在各個領(lǐng)域掀起“革命”。在生物學(xué)中，AI開始成為人們基于生物信息作出科學(xué)預(yù)測的有力工具。
在2024年，幾乎每周都有與谷歌DeepMind公司開發(fā)的人工智能AlphaFold2相關(guān)的重大新論文發(fā)布。這個系列的軟件能夠從氨基酸分子的一維序列準確預(yù)測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。
蛋白質(zhì)由氨基酸鏈條“折疊”而成，其性質(zhì)與折疊形式密切相關(guān)�？茖W(xué)家們已經(jīng)能夠測量蛋白質(zhì)的氨基酸構(gòu)成，但如何根據(jù)這些信息去推測蛋白質(zhì)的空間形態(tài)一直懸而未決。
人工智能在朝夕間解決了這個困擾生物學(xué)家們數(shù)十載的問題。2024年5月，DeepMind公司發(fā)布了AlphaFold3，它能夠預(yù)測蛋白質(zhì)與其他分子相互作用時的形狀。10月，諾貝爾化學(xué)獎被授予了AlphaFold2的創(chuàng)造者約翰賈珀和德米斯哈薩比斯，以及最先使用AI進行蛋白質(zhì)設(shè)計的學(xué)者大衛(wèi)貝克。
“這在許多積極的方面改變了結(jié)構(gòu)生物學(xué)，讓這個領(lǐng)域變得更讓人興奮。”Quanta雜志援引一位生物學(xué)家的話評論道。
AI正在各種生物學(xué)問題中大顯身手。例如在藥物發(fā)現(xiàn)方面，生物學(xué)家測試了它識別新藥物靶點與化合物分子的能力。在基礎(chǔ)科學(xué)中，AlphaFold2幫助研究人員研究病毒進化、發(fā)現(xiàn)在受精過程中將精子與卵子結(jié)合的蛋白質(zhì)等等。
“這些進步表明生物學(xué)與計算機科學(xué)之間關(guān)系的重大轉(zhuǎn)變。”Quanta雜志寫到。從這一年開始，追問生命的問題可能不再是生物學(xué)家的專利。計算機科學(xué)等學(xué)科的突破將逐漸改變這個學(xué)科的思維。
“我們都活在RNA的世界”
我們在生物課本中都學(xué)過，DNA（脫氧核糖核酸）是生命的核心。這種穩(wěn)定的、雙鏈結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)存儲著生命活動的一切信息。RNA（核糖核酸）則常被認為是次于DNA的遺傳物質(zhì)。單鏈的、脆弱的它只是一個“信使”，使命就是幫助DNA進行復(fù)制。
越來越多的研究揭示了RNA在生命中心的地位�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，遺傳基因組并不是一張靜態(tài)的“地圖”，而是一副不斷變化的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)�；蚪M中有一些不直接翻譯成蛋白質(zhì)的非編碼部分，實際上被轉(zhuǎn)錄成在細胞中扮演非信使角色的RNA分子，它們發(fā)揮諸如調(diào)節(jié)基因表達的重要作用。
“一種新的觀點正在出現(xiàn)：許多重要的、動態(tài)的基因組過程可能通過RNA發(fā)揮作用�！盦uanta雜志評論道。
2024年10月，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎被授予發(fā)現(xiàn)微小RNA（microRNA)的研究人員。這些僅有20多個核苷酸組成的小分子能夠通過抑制翻譯、降解mRNA等方式調(diào)控基因表達，是支持復(fù)雜多細胞生命的關(guān)鍵。
Quanta雜志提到，2024年還有很多其它發(fā)現(xiàn)正在改變?nèi)藗儗NA的理解。例如研究人員首次發(fā)現(xiàn)古菌細胞在細胞外囊泡中交換非編碼RNA，從而創(chuàng)建了一種細胞“短信”系統(tǒng)，用于分享及時的、短暫的信息。除此之外，還有一些作用尚不明確的RNA被發(fā)現(xiàn)。
“這個世界是RNA的世界，我們只是居住其中�！痹撾s志寫到。曾有學(xué)者提出“RNA世界”假說，認為在現(xiàn)代生命形式出現(xiàn)之前，RNA分子可能是地球上的主要生物分子，承擔(dān)了遺傳信息存儲和催化生化反應(yīng)的雙重功能。關(guān)于RNA的探索或許終將為我們解答生命起源的問題。
尋找LUCA：進化的關(guān)鍵時刻
雖然科學(xué)家們還無法驗證“RNA世界”這樣的生命起源假說，但尋找最早生命形式的努力從未停止。目前人們大多認為，所有的細胞生命可以分為古菌域、細菌域與真核域，它們一起從一個具有原始遺傳機制的“最后普適共同祖先”（Last Uiversal Common Ancestor，“LUCA”）分別演化而來。
在2024年，科學(xué)家們在追溯這條進化脈絡(luò)的關(guān)鍵時刻上有很多重要進展。一個跨學(xué)科小組通過系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，LUCA是一個能夠代謝氫氣和二氧化碳的復(fù)雜細胞，具有原始的免疫系統(tǒng)，可能生活在一個微生物生態(tài)系統(tǒng)中，而它是唯一的幸存者。研究還將LUCA的年代定在大約42億年前，比研究人員之前認為的要早。
另一個關(guān)鍵時刻是生命從單細胞向多細胞的進化，研究表明這樣的進化事件至少有25次。一項研究將動物多細胞性的出現(xiàn)追溯到地球歷史上被稱為“雪球地球”的冰凍時期。另一項研究探討了為什么細菌和其他原核細胞未能進化成復(fù)雜的多細胞生命。答案可能與一種稱為“遺傳漂變”的進化過程有關(guān)。
細菌已經(jīng)進化出簡單的如“群居”一般的多細胞形式，而古菌在2024年才被發(fā)現(xiàn)有類似的現(xiàn)象：簡單地擠壓古菌細胞就可以使它們形成多細胞的、類似組織的結(jié)構(gòu)。
另一項重要進展則發(fā)生在中國。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的朱茂炎團隊發(fā)現(xiàn)了距今16億年的多細胞真核生物化石將真核生物多細胞性的時間線向前推進了約6億年。
探秘大腦“黑箱”
大腦是生物學(xué)中另一個重大謎團。意識是如何從大腦中成千上萬的神經(jīng)元中產(chǎn)生？大腦又是如何調(diào)控整個身體？這些都是生物學(xué)家試圖回答的問題。隨著更強的測量和計算工具的出現(xiàn)，2024年的腦科學(xué)取得了很多進展。
“2024年最令人震驚的發(fā)現(xiàn)之一是關(guān)于大腦和身體的整合。”Quanta雜志提到，“比如，大多數(shù)免疫學(xué)家長期以來一直假設(shè)免疫系統(tǒng)是自我調(diào)節(jié)的。首次，研究人員發(fā)現(xiàn)了位于腦干的一個神經(jīng)回路，它能夠調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)�！�
除此之外，人們還發(fā)現(xiàn)，大腦還可能直接與腸道、肌肉等器官相互影響存在“腦-腸軸”“腦-肌軸”等調(diào)控通路。
通過測量神經(jīng)元放電情況并建立更復(fù)雜的模型，科學(xué)家們已經(jīng)能夠?qū)τ洃�、計算等意識現(xiàn)象作出解釋。例如，一項研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們在經(jīng)歷事情時，神經(jīng)元會以一定的順序放電。在休息和睡眠期間，海馬體會以更快的速度成百上千次地重放這個序列，產(chǎn)生電波紋，更有可能固化為長期記憶。
來自中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的王立平團隊則發(fā)現(xiàn)，人們在給事物排序時，次序的信息被記錄在大腦中一個對應(yīng)的、反映神經(jīng)元不同全局狀態(tài)的“子空間”中。當(dāng)面對需要調(diào)換順序的認知任務(wù)時，子空間中的信息會通過生成臨時空間的方式進行交換。
而在微觀尺度上，科學(xué)家們正在嘗試在神經(jīng)元尺度上重建大腦。谷歌的科學(xué)家使用AI工具將來自人腦1立方毫米的5000張圖像拼接在一起，構(gòu)建了一幅驚人的3D地圖包含了大約57000個神經(jīng)元和1.5億個突觸。
來自美國普林斯頓的研究人員則首次繪制了整個果蠅大腦的地圖。雖然果蠅大腦的大小相當(dāng)于一粒沙子，但這是迄今為止完全繪制的最大大腦，擁有14萬個神經(jīng)元。
人類大腦約有860億個神經(jīng)元,完整繪制圖譜依然是一項艱巨的任務(wù)。“接下來，在我們考慮繪制完整人腦之前，是老鼠大腦。它包含的神經(jīng)元數(shù)量大約是果蠅的1000倍�！盦uanta雜志提到。
植物有感覺嗎？
人類用眼睛看、用耳朵聽、用腦袋想，而別的生物有另外的感知世界的方式。2024年，當(dāng)很多人熱衷于探討AI是否擁有意識時，很多生物學(xué)家則在試圖理解那些與我們共享一個祖先的生物伙伴們的“內(nèi)心”世界。
2024年4月，一群生物學(xué)家、認知科學(xué)家和哲學(xué)家簽署了一項宣言，將對“現(xiàn)象意識”的科學(xué)支持擴展到比以往任何時候都更廣泛的動物群體，包括昆蟲、螃蟹、章魚、魚類、爬行動物和兩棲動物。
具有現(xiàn)象意識的生物“有能力體驗疼痛、愉悅或饑餓等感覺，但不一定具有更復(fù)雜的心理狀態(tài)，如自我意識”，Quanta援引一名生物學(xué)家的話寫道。
植物并沒有意識，但有時它們會進行一些別的感知和調(diào)節(jié)活動，比如計算。歐洲山毛櫸樹能夠跨越1500公里同步繁殖，這一壯觀的現(xiàn)象被稱為“大年結(jié)實”（mast seeding）。在一項研究中，生態(tài)學(xué)家分析了60多年的數(shù)據(jù)，表明山毛櫸樹能夠感知一年中最長的一天，并將繁殖安排在夏至以及日照高峰。
另一項研究觀察了雜草擬南芥的感知能力。結(jié)果表明，幼苗利用細胞間的空氣間隙散射光線，創(chuàng)建從亮到暗的梯度，以便它們在生長時跟隨光線。
還有研究發(fā)現(xiàn)單細胞細菌能夠感知季節(jié)的變化。它們簡單的晝夜節(jié)律生物鐘可以追蹤冬季臨近時白天的縮短，從而為寒冷的天氣做準備，即便那個冬季在許多代之后才會到來，就像人類會為后世謀福祉一樣。
