2024年，當(dāng)很多人熱衷于探討AI是否擁有意識(shí)時(shí)，很多生物學(xué)家則在試圖理解那些與我們共享一個(gè)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(xiàng)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(duì)遺傳物質(zhì)RNA（核糖核酸）的探索以及對(duì)進(jìn)化與心智等問題的追問。
很多發(fā)現(xiàn)沖擊了人們對(duì)生物學(xué)以及生命的理解，比如計(jì)算機(jī)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?cè)谖覀儗?duì)生命運(yùn)作基本理解方面取得了許多重要進(jìn)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(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力在各個(gè)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(cè)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(gè)系列的軟件能夠從氨基酸分子的一維序列準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(gè)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(cè)蛋白質(zhì)與其他分子相互作用時(shí)的形狀。10月，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)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(gè)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(píng)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(cè)試了它識(shí)別新藥物靶點(diǎn)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(jìn)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(jìn)步表明生物學(xué)與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的突破將逐漸改變這個(gè)學(xué)科的思維。
“我們都活在RNA的世界”
我們?cè)谏镎n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(chǔ)著生命活動(dòng)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(gè)“信使”，使命就是幫助DNA進(jìn)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(shí)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(diǎn)正在出現(xiàn)：許多重要的、動(dòng)態(tài)的基因組過程可能通過RNA發(fā)揮作用�！盦uanta雜志評(píng)論道。
2024年10月，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)被授予發(fā)現(xiàn)微小RNA（microRNA)的研究人員。這些僅有20多個(gè)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?duì)RNA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(shí)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(gè)世界是RNA的世界，我們只是居住其中。”該雜志寫到。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(chǔ)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(jìn)化的關(guān)鍵時(shí)刻
雖然科學(xué)家們還無法驗(yàn)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(gè)具有原始遺傳機(jī)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?cè)谧匪葸@條進(jìn)化脈絡(luò)的關(guān)鍵時(shí)刻上有很多重要進(jìn)展。一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)關(guān)鍵時(shí)刻是生命從單細(xì)胞向多細(xì)胞的進(jìn)化，研究表明這樣的進(jìn)化事件至少有25次。一項(xiàng)研究將動(dòng)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(shí)期。另一項(xiàng)研究探討了為什么細(xì)菌和其他原核細(xì)胞未能進(jìn)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(jìn)化過程有關(guān)。
細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)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?cái)D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(xiàng)重要進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(shí)間線向前推進(jìn)了約6億年。
探秘大腦“黑箱”
大腦是生物學(xué)中另一個(gè)重大謎團(tuán)。意識(shí)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(gè)身體？這些都是生物學(xué)家試圖回答的問題。隨著更強(qiáng)的測(cè)量和計(jì)算工具的出現(xiàn)，2024年的腦科學(xué)取得了很多進(jìn)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�！盦uanta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(gè)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(cè)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?jì)算等意識(shí)現(xiàn)象作出解釋。例如，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們?cè)诮?jīng)歷事情時(shí)，神經(jīng)元會(huì)以一定的順序放電。在休息和睡眠期間，海馬體會(huì)以更快的速度成百上千次地重放這個(gè)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(tuán)隊(duì)則發(fā)現(xiàn)，人們?cè)诮o事物排序時(shí)，次序的信息被記錄在大腦中一個(gè)對(duì)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(duì)需要調(diào)換順序的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，子空間中的信息會(huì)通過生成臨時(shí)空間的方式進(jìn)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(gè)神經(jīng)元和1.5億個(gè)突觸。
來自美國普林斯頓的研究人員則首次繪制了整個(gè)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(gè)神經(jīng)元。
人類大腦約有860億個(gè)神經(jīng)元,完整繪制圖譜依然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)�！敖酉聛�，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(shí)時(shí)，很多生物學(xué)家則在試圖理解那些與我們共享一個(gè)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(xiàng)宣言，將對(duì)“現(xiàn)象意識(shí)”的科學(xué)支持?jǐn)U展到比以往任何時(shí)候都更廣泛的動(dòng)物群體，包括昆蟲、螃蟹、章魚、魚類、爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物。
具有現(xiàn)象意識(shí)的生物“有能力體驗(yàn)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(shí)”，Quanta援引一名生物學(xué)家的話寫道。
植物并沒有意識(shí)，但有時(shí)它們會(huì)進(jìn)行一些別的感知和調(diào)節(jié)活動(dòng)，比如計(jì)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(shí)”（mast seeding）。在一項(xiàng)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(xiàng)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?cè)谏L時(shí)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(shí)白天的縮短，從而為寒冷的天氣做準(zhǔn)備，即便那個(gè)冬季在許多代之后才會(huì)到來，就像人類會(huì)為后世謀福祉一樣。
