人工智能、RNA與大腦：生物學的2024年

·2024年，當很多人熱衷於探討AI是否擁有意識時，很多生物學家則在試圖理解那些與我們共享一個祖先的生物夥伴們的“內心”世界。

近日，美國Quanta雜誌（Quanta Magazine）回顧了2024年生物學領域的幾項重要發展，其中包括人工智能（AI）與生物學的深度融合、對遺傳物質RNA（核糖核酸）的探索以及對進化與心智等問題的追問。

很多發現衝擊了人們對生物學以及生命的理解，比如計算機科學家在回答生物問題上走在了生物學家前面、生命的核心可能不是DNA、大腦可以調控免疫系統等。

“這一年，科學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。”該雜誌寫到，“這些研究中任何類型的發現都能帶來驚喜和愉悅，但顛覆性的假設更令人興奮。”

生物學的AI革命

基於神經網絡算法的人工智能程序正以其強大的預測能力在各個領域掀起“革命”。在生物學中，AI開始成爲人們基於生物信息作出科學預測的有力工具。

在2024年，幾乎每週都有與谷歌DeepMind公司開發的人工智能AlphaFold2相關的重大新論文發佈。這個系列的軟件能夠從氨基酸分子的一維序列準確預測蛋白質的三維結構。

蛋白質由氨基酸鏈條“摺疊”而成，其性質與摺疊形式密切相關。科學家們已經能夠測量蛋白質的氨基酸構成，但如何根據這些信息去推測蛋白質的空間形態一直懸而未決。

人工智能在朝夕間解決了這個困擾生物學家們數十載的問題。2024年5月，DeepMind公司發佈了AlphaFold3，它能夠預測蛋白質與其他分子相互作用時的形狀。10月，諾貝爾化學獎被授予了AlphaFold2的創造者約翰·賈珀和德米斯·哈薩比斯，以及最先使用AI進行蛋白質設計的學者大衛·貝克。

“這在許多積極的方面改變了結構生物學，讓這個領域變得更讓人興奮。”Quanta雜誌援引一位生物學家的話評論道。

AI正在各種生物學問題中大顯身手。例如在藥物發現方面，生物學家測試了它識別新藥物靶點與化合物分子的能力。在基礎科學中，AlphaFold2幫助研究人員研究病毒進化、發現在受精過程中將精子與卵子結合的蛋白質等等。

“這些進步表明生物學與計算機科學之間關係的重大轉變。”Quanta雜誌寫到。從這一年開始，追問生命的問題可能不再是生物學家的專利。計算機科學等學科的突破將逐漸改變這個學科的思維。

“我們都活在RNA的世界”

我們在生物課本中都學過，DNA（脫氧核糖核酸）是生命的核心。這種穩定的、雙鏈結構的化學物質存儲着生命活動的一切信息。RNA（核糖核酸）則常被認爲是次於DNA的遺傳物質。單鏈的、脆弱的它只是一個“信使”，使命就是幫助DNA進行復制。

越來越多的研究揭示了RNA在生命中心的地位。科學家們發現，遺傳基因組並不是一張靜態的“地圖”，而是一副不斷變化的複雜網絡。基因組中有一些不直接翻譯成蛋白質的非編碼部分，實際上被轉錄成在細胞中扮演非信使角色的RNA分子，它們發揮諸如調節基因表達的重要作用。

“一種新的觀點正在出現：許多重要的、動態的基因組過程可能通過RNA發揮作用。”Quanta雜誌評論道。

2024年10月，諾貝爾生理學或醫學獎被授予發現微小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等方式調控基因表達，是支持複雜多細胞生命的關鍵。

Quanta雜誌提到，2024年還有很多其它發現正在改變人們對RNA的理解。例如研究人員首次發現古菌細胞在細胞外囊泡中交換非編碼RNA，從而創建了一種細胞“短信”系統，用於分享及時的、短暫的信息。除此之外，還有一些作用尚不明確的RNA被發現。

“這個世界是RNA的世界，我們只是居住其中。”該雜誌寫到。曾有學者提出“RNA世界”假說，認爲在現代生命形式出現之前，RNA分子可能是地球上的主要生物分子，承擔了遺傳信息存儲和催化生化反應的雙重功能。關於RNA的探索或許終將爲我們解答生命起源的問題。

尋找LUCA：進化的關鍵時刻

雖然科學家們還無法驗證“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。目前人們大多認爲，所有的細胞生命可以分爲古菌域、細菌域與真核域，它們一起從一個具有原始遺傳機制的“最後普適共同祖先”（Last Universal Common Ancestor，“LUCA”）分別演化而來。

在2024年，科學家們在追溯這條進化脈絡的關鍵時刻上有很多重要進展。一個跨學科小組通過系統發育學研究發現，LUCA是一個能夠代謝氫氣和二氧化碳的複雜細胞，具有原始的免疫系統，可能生活在一個微生物生態系統中，而它是唯一的倖存者。研究還將LUCA的年代定在大約42億年前，比研究人員之前認爲的要早。

另一個關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追溯到地球歷史上被稱爲“雪球地球”的冰凍時期。另一項研究探討了爲什麼細菌和其他原核細胞未能進化成複雜的多細胞生命。答案可能與一種稱爲“遺傳漂變”的進化過程有關。

細菌已經進化出簡單的如“羣居”一般的多細胞形式，而古菌在2024年才被發現有類似的現象：簡單地擠壓古菌細胞就可以使它們形成多細胞的、類似組織的結構。

另一項重要進展則發生在中國。中國科學院南京地質古生物研究所的朱茂炎團隊發現了距今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”

大腦是生物學中另一個重大謎團。意識是如何從大腦中成千上萬的神經元中產生？大腦又是如何調控整個身體？這些都是生物學家試圖回答的問題。隨着更強的測量和計算工具的出現，2024年的腦科學取得了很多進展。

“2024年最令人震驚的發現之一是關於大腦和身體的整合。”Quanta雜誌提到，“比如，大多數免疫學家長期以來一直假設免疫系統是自我調節的。首次，研究人員發現了位於腦幹的一個神經迴路，它能夠調節免疫系統。”

除此之外，人們還發現，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”等調控通路。

通過測量神經元放電情況並建立更復雜的模型，科學家們已經能夠對記憶、計算等意識現象作出解釋。例如，一項研究發現，當我們在經歷事情時，神經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，產生電波紋，更有可能固化爲長期記憶。

來自中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心的王立平團隊則發現，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的、反映神經元不同全局狀態的“子空間”中。當面對需要調換順序的認知任務時，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，科學家們正在嘗試在神經元尺度上重建大腦。谷歌的科學家使用AI工具將來自人腦1立方毫米的5000張圖像拼接在一起，構建了一幅驚人的3D地圖——包含了大約57000個神經元和1.5億個突觸。

來自美國普林斯頓的研究人員則首次繪製了整個果蠅大腦的地圖。雖然果蠅大腦的大小相當於一粒沙子，但這是迄今爲止完全繪製的最大大腦，擁有14萬個神經元。

人類大腦約有860億個神經元,完整繪製圖譜依然是一項艱鉅的任務。“接下來，在我們考慮繪製完整人腦之前，是老鼠大腦。它包含的神經元數量大約是果蠅的1000倍。”Quanta雜誌提到。

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，當很多人熱衷於探討AI是否擁有意識時，很多生物學家則在試圖理解那些與我們共享一個祖先的生物夥伴們的“內心”世界。

2024年4月，一羣生物學家、認知科學家和哲學家簽署了一項宣言，將對“現象意識”的科學支持擴展到比以往任何時候都更廣泛的動物羣體，包括昆蟲、螃蟹、章魚、魚類、爬行動物和兩棲動物。

具有現象意識的生物“有能力體驗疼痛、愉悅或飢餓等感覺，但不一定具有更復雜的心理狀態，如自我意識”，Quanta援引一名生物學家的話寫道。

植物並沒有意識，但有時它們會進行一些別的感知和調節活動，比如計算。歐洲山毛櫸樹能夠跨越1500公里同步繁殖，這一壯觀的現象被稱爲“大年結實”（mast seeding）。在一項研究中，生態學家分析了60多年的數據，表明山毛櫸樹能夠感知一年中最長的一天，並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。結果表明，幼苗利用細胞間的空氣間隙散射光線，創建從亮到暗的梯度，以便它們在生長時跟隨光線。

還有研究發現單細胞細菌能夠感知季節的變化。它們簡單的晝夜節律生物鐘可以追蹤冬季臨近時白天的縮短，從而爲寒冷的天氣做準備，即便那個冬季在許多代之後纔會到來，就像人類會爲後世謀福祉一樣。