·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?！?/p>

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(zhǔn)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)。科學(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(rèn)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)。基因組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(xì)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(dá)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(dá)，是支持復(fù)雜多細(xì)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(xì)胞在細(xì)胞外囊泡中交換非編碼RNA，從而創(chuàng)建了一種細(xì)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(rèn)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(rèn)為，所有的細(xì)胞生命可以分為古菌域、細(xì)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 Universal 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(xì)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(rèn)為的要早。

另一個關(guān)鍵時刻是生命從單細(xì)胞向多細(xì)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(xì)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(xì)菌和其他原核細(xì)胞未能進化成復(fù)雜的多細(xì)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(xì)菌已經(jīng)進化出簡單的如“群居”一般的多細(xì)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(xì)胞就可以使它們形成多細(xì)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(xì)胞真核生物化石——將真核生物多細(xì)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)?！?/p>

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洃洝⒂嬎愕纫庾R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(rèn)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)?！敖酉聛恚谖覀兛紤]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。”Quanta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(rèn)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?jǐn)U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(xì)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(xì)胞細(xì)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(zhǔn)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。