人工智能、RNA与大脑：生物学的2024年
·2024年，当很多人热衷于探讨AI是否拥有意识时，很多生物学家则在试图理解那些与我们共享一个祖先的生物伙伴们的“内心”世界。
近日，美国Quanta杂志（Quanta Magazine）回顾了2024年生物学领域的几项重要发展，其中包括人工智能（AI）与生物学的深度融合、对遗传物质RNA（核糖核酸）的探索以及对进化与心智等问题的追问。
很多发现冲击了人们对生物学以及生命的理解，比如计算机科学家在回答生物问题上走在了生物学家前面、生命的核心可能不是DNA、大脑可以调控免疫系统等。
“这一年，科学家们在我们对生命运作基本理解方面取得了许多重要进展。”该杂志写到，“这些研究中任何类型的发现都能带来惊喜和愉悦，但颠覆性的假设更令人兴奋。”
生物学的AI革命
基于神经网络算法的人工智能程序正以其强大的预测能力在各个领域掀起“革命”。在生物学中，AI开始成为人们基于生物信息作出科学预测的有力工具。
在2024年，几乎每周都有与谷歌DeepMind公司开发的人工智能AlphaFold2相关的重大新论文发布。这个系列的软件能够从氨基酸分子的一维序列准确预测蛋白质的三维结构。
蛋白质由氨基酸链条“折叠”而成，其性质与折叠形式密切相关。科学家们已经能够测量蛋白质的氨基酸构成，但如何根据这些信息去推测蛋白质的空间形态一直悬而未决。
人工智能在朝夕间解决了这个困扰生物学家们数十载的问题。2024年5月，DeepMind公司发布了AlphaFold3，它能够预测蛋白质与其他分子相互作用时的形状。10月，诺贝尔化学奖被授予了AlphaFold2的创造者约翰·贾珀和德米斯·哈萨比斯，以及最先使用AI进行蛋白质设计的学者大卫·贝克。
“这在许多积极的方面改变了结构生物学，让这个领域变得更让人兴奋。”Quanta杂志援引一位生物学家的话评论道。
AI正在各种生物学问题中大显身手。例如在药物发现方面，生物学家测试了它识别新药物靶点与化合物分子的能力。在基础科学中，AlphaFold2帮助研究人员研究病毒进化、发现在受精过程中将精子与卵子结合的蛋白质等等。
“这些进步表明生物学与计算机科学之间关系的重大转变。”Quanta杂志写到。从这一年开始，追问生命的问题可能不再是生物学家的专利。计算机科学等学科的突破将逐渐改变这个学科的思维。
“我们都活在RNA的世界”
我们在生物课本中都学过，DNA（脱氧核糖核酸）是生命的核心。这种稳定的、双链结构的化学物质存储着生命活动的一切信息。RNA（核糖核酸）则常被认为是次于DNA的遗传物质。单链的、脆弱的它只是一个“信使”，使命就是帮助DNA进行复制。
越来越多的研究揭示了RNA在生命中心的地位。科学家们发现，遗传基因组并不是一张静态的“地图”，而是一副不断变化的复杂网络。基因组中有一些不直接翻译成蛋白质的非编码部分，实际上被转录成在细胞中扮演非信使角色的RNA分子，它们发挥诸如调节基因表达的重要作用。
“一种新的观点正在出现：许多重要的、动态的基因组过程可能通过RNA发挥作用。”Quanta杂志评论道。
2024年10月，诺贝尔生理学或医学奖被授予发现微小RNA（microRNA)的研究人员。这些仅有20多个核苷酸组成的小分子能够通过抑制翻译、降解mRNA等方式调控基因表达，是支持复杂多细胞生命的关键。
Quanta杂志提到，2024年还有很多其它发现正在改变人们对RNA的理解。例如研究人员首次发现古菌细胞在细胞外囊泡中交换非编码RNA，从而创建了一种细胞“短信”系统，用于分享及时的、短暂的信息。除此之外，还有一些作用尚不明确的RNA被发现。
“这个世界是RNA的世界，我们只是居住其中。”该杂志写到。曾有学者提出“RNA世界”假说，认为在现代生命形式出现之前，RNA分子可能是地球上的主要生物分子，承担了遗传信息存储和催化生化反应的双重功能。关于RNA的探索或许终将为我们解答生命起源的问题。
寻找LUCA：进化的关键时刻
虽然科学家们还无法验证“RNA世界”这样的生命起源假说，但寻找最早生命形式的努力从未停止。目前人们大多认为，所有的细胞生命可以分为古菌域、细菌域与真核域，它们一起从一个具有原始遗传机制的“最后普适共同祖先”（Last Universal Common Ancestor，“LUCA”）分别演化而来。
在2024年，科学家们在追溯这条进化脉络的关键时刻上有很多重要进展。一个跨学科小组通过系统发育学研究发现，LUCA是一个能够代谢氢气和二氧化碳的复杂细胞，具有原始的免疫系统，可能生活在一个微生物生态系统中，而它是唯一的幸存者。研究还将LUCA的年代定在大约42亿年前，比研究人员之前认为的要早。
另一个关键时刻是生命从单细胞向多细胞的进化，研究表明这样的进化事件至少有25次。一项研究将动物多细胞性的出现追溯到地球历史上被称为“雪球地球”的冰冻时期。另一项研究探讨了为什么细菌和其他原核细胞未能进化成复杂的多细胞生命。答案可能与一种称为“遗传漂变”的进化过程有关。
细菌已经进化出简单的如“群居”一般的多细胞形式，而古菌在2024年才被发现有类似的现象：简单地挤压古菌细胞就可以使它们形成多细胞的、类似组织的结构。
另一项重要进展则发生在中国。中国科学院南京地质古生物研究所的朱茂炎团队发现了距今16亿年的多细胞真核生物化石——将真核生物多细胞性的时间线向前推进了约6亿年。
探秘大脑“黑箱”
大脑是生物学中另一个重大谜团。意识是如何从大脑中成千上万的神经元中产生？大脑又是如何调控整个身体？这些都是生物学家试图回答的问题。随着更强的测量和计算工具的出现，2024年的脑科学取得了很多进展。
“2024年最令人震惊的发现之一是关于大脑和身体的整合。”Quanta杂志提到，“比如，大多数免疫学家长期以来一直假设免疫系统是自我调节的。首次，研究人员发现了位于脑干的一个神经回路，它能够调节免疫系统。”
除此之外，人们还发现，大脑还可能直接与肠道、肌肉等器官相互影响——存在“脑-肠轴”“脑-肌轴”等调控通路。
通过测量神经元放电情况并建立更复杂的模型，科学家们已经能够对记忆、计算等意识现象作出解释。例如，一项研究发现，当我们在经历事情时，神经元会以一定的顺序放电。在休息和睡眠期间，海马体会以更快的速度成百上千次地重放这个序列，产生电波纹，更有可能固化为长期记忆。
来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王立平团队则发现，人们在给事物排序时，次序的信息被记录在大脑中一个对应的、反映神经元不同全局状态的“子空间”中。当面对需要调换顺序的认知任务时，子空间中的信息会通过生成临时空间的方式进行交换。
而在微观尺度上，科学家们正在尝试在神经元尺度上重建大脑。谷歌的科学家使用AI工具将来自人脑1立方毫米的5000张图像拼接在一起，构建了一幅惊人的3D地图——包含了大约57000个神经元和1.5亿个突触。
来自美国普林斯顿的研究人员则首次绘制了整个果蝇大脑的地图。虽然果蝇大脑的大小相当于一粒沙子，但这是迄今为止完全绘制的最大大脑，拥有14万个神经元。
人类大脑约有860亿个神经元,完整绘制图谱依然是一项艰巨的任务。“接下来，在我们考虑绘制完整人脑之前，是老鼠大脑。它包含的神经元数量大约是果蝇的1000倍。”Quanta杂志提到。
植物有感觉吗？
人类用眼睛看、用耳朵听、用脑袋想，而别的生物有另外的感知世界的方式。2024年，当很多人热衷于探讨AI是否拥有意识时，很多生物学家则在试图理解那些与我们共享一个祖先的生物伙伴们的“内心”世界。
2024年4月，一群生物学家、认知科学家和哲学家签署了一项宣言，将对“现象意识”的科学支持扩展到比以往任何时候都更广泛的动物群体，包括昆虫、螃蟹、章鱼、鱼类、爬行动物和两栖动物。
具有现象意识的生物“有能力体验疼痛、愉悦或饥饿等感觉，但不一定具有更复杂的心理状态，如自我意识”，Quanta援引一名生物学家的话写道。
植物并没有意识，但有时它们会进行一些别的感知和调节活动，比如计算。欧洲山毛榉树能够跨越1500公里同步繁殖，这一壮观的现象被称为“大年结实”（mast seeding）。在一项研究中，生态学家分析了60多年的数据，表明山毛榉树能够感知一年中最长的一天，并将繁殖安排在夏至以及日照高峰。
另一项研究观察了杂草拟南芥的感知能力。结果表明，幼苗利用细胞间的空气间隙散射光线，创建从亮到暗的梯度，以便它们在生长时跟随光线。
还有研究发现单细胞细菌能够感知季节的变化。它们简单的昼夜节律生物钟可以追踪冬季临近时白天的缩短，从而为寒冷的天气做准备，即便那个冬季在许多代之后才会到来，就像人类会为后世谋福祉一样。
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