·2024年，当许多人热衷于探索人工智能是否具有意识时，许多生物学家正在试图了解那些与我们有共同祖先的生物同伴的“内心”世界。
近日，美国Quanta杂志回顾了2024年生物学领域的几项重要进展，包括人工智能（AI）与生物学的深度融合、遗传物质RNA（核糖核酸）的探索、进化与生物学的研究等。关于心灵和其他问题的问题。
许多发现影响了人们对生物学和生命的理解。例如，计算机科学家在回答生物学问题方面领先于生物学家，生命的核心可能不是DNA，大脑可以调节免疫系统。
该杂志写道：“今年，科学家在我们对生命如何运作的基本理解方面取得了许多重要进展。” “这些研究中任何类型的发现都可以带来惊喜和喜悦，但颠覆性假设更令人兴奋。人们很兴奋。”
生物学领域的人工智能革命
基于神经网络算法的人工智能程序以其强大的预测能力正在各个领域掀起一场“革命”。在生物学领域，人工智能已经开始成为人们根据生物信息做出科学预测的有力工具。
2024年，几乎每周都会发布与Google DeepMind开发的人工智能AlphaFold2相关的重大新论文。该系列软件可以从氨基酸分子的一维序列准确预测蛋白质的三维结构。
蛋白质是由氨基酸链“折叠”而成的，其性质与其折叠形式密切相关。科学家已经能够测量蛋白质的氨基酸组成，但如何利用这些信息来推断蛋白质的空间形状一直是一个悬而未决的问题。
人工智能很快解决了这个困扰生物学家数十年的问题。 2024 年 5 月，DeepMind 发布了 AlphaFold3，它可以预测蛋白质与其他分子相互作用时的形状。 10月，诺贝尔化学奖授予AlphaFold2的创造者John Japer和Demis Hassabis，以及第一位使用人工智能进行蛋白质设计的学者David Baker。
“这以许多积极的方式改变了结构生物学，并使该领域更加令人兴奋。” 《Quanta》杂志援引一位生物学家的评论。
人工智能在各种生物问题上大显身手。例如，在药物发现中，生物学家测试了其识别新药物靶点和化合物分子的能力。在基础科学领域，AlphaFold2 帮助研究人员研究病毒进化、发现受精过程中将精子与卵子结合的蛋白质等等。
“这些进步代表了生物学和计算机科学之间关系的重大转变，”《Quanta》杂志写道。从今年开始，提出有关生命的问题可能不再是生物学家的专属领域。计算机科学等学科的突破将逐渐改变该学科的思维。
“我们都生活在 RNA 的世界里”
我们都在生物学教科书上了解到，DNA（脱氧核糖核酸）是生命的核心。这种稳定的双链化学物质存储着生命活动的所有信息。 RNA（核糖核酸）通常被认为是仅次于DNA的遗传物质。单链且脆弱，它只是一个“信使”，其使命是帮助DNA复制。
越来越多的研究揭示了 RNA 在生命中心的作用。科学家发现，遗传基因组并不是一张静态的“地图”，而是一个不断变化的复杂网络。基因组中有一些非编码部分并不直接翻译成蛋白质，而是实际上转录成在细胞中发挥非信使作用的RNA分子。它们发挥着重要作用，例如调节基因表达。
“一种新观点正在出现：许多重要且动态的基因组过程可能通过 RNA 发挥作用。” 《广达》杂志评论道。
2024年10月，诺贝尔生理学或医学奖将颁发给发现微小RNA（microRNA）的研究人员。这些仅由20多个核苷酸组成的小分子可以通过抑制翻译和降解mRNA来调节基因表达，是支持复杂的多细胞生命的关键。
Quanta杂志提到，2024年还会有许多其他发现正在改变人们对RNA的理解。例如，研究人员首次发现古细菌细胞在细胞外囊泡中交换非编码RNA，创建了一个细胞“短信”系统，用于共享及时、短暂的信息。此外，还发现了一些功能尚不清楚的RNA。
该杂志写道：“这个世界是RNA的世界，我们只是生活在其中。”有学者曾提出“RNA世界”假说，认为在现代生命体出现之前，RNA分子可能一直是地球上的主要生物分子，承担着存储遗传信息和催化生化反应的双重功能。对RNA的探索可能最终回答我们关于生命起源的问题。
寻找卢卡：进化的关键时刻
尽管科学家尚未能验证“RNA世界”等生命起源假说，但寻找最早生命形式的努力却从未停止过。目前，大多数人认为所有细胞生命都可以分为古菌域、细菌域和真核域，它们共同起源于一个具有原始遗传机制的“最后的普遍共同祖先”（“LUCA”）。进化了。
2024年，科学家在追踪这条进化路线的关键时刻方面取得了很多重要进展。一个跨学科团队通过系统发育研究发现，LUCA 是一种复杂的细胞，能够代谢氢气和二氧化碳，具有原始的免疫系统，并且很可能生活在微生物生态系统中，而它是唯一的幸存者。该研究还确定 LUCA 的年代约为 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到多细胞的进化，研究表明这一进化事件至少发生了 25 次。一项研究将动物多细胞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。答案可能与称为遗传漂变的进化过程有关。
细菌进化出了简单的“群落”多细胞形式，而古细菌直到2024年才被发现具有类似的现象：简单地挤压古细菌细胞就可以使它们形成多细胞的组织样结构。
另一个重要的发展发生在中国。中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎团队发现了距今16亿年前的多细胞真核生物化石，将真核多细胞生物的时间线提前了约6亿年。
探索大脑的“黑匣子”
大脑是生物学中的另一个巨大谜团。意识是如何从大脑中数千个神经元中产生的？大脑如何控制整个身体？这些是生物学家试图回答的问题。随着更强大的测量和计算工具的出现，脑科学将在2024年取得很大进展。
“2024 年最令人震惊的发现之一涉及大脑和身体的整合。” 《Quanta》杂志提到，“例如，大多数免疫学家长期以来都认为免疫系统是自我调节的。研究人员首次发现了位于脑干中调节免疫系统的神经回路。”
此外，人们还发现，大脑可能直接与肠道、肌肉等器官相互作用——存在“脑-肠轴”、“脑-肌肉轴”等调节通路。
通过测量神经元放电和建立更复杂的模型，科学家们已经能够解释记忆和计算等意识现象。例如，一项研究发现，当我们经历事物时，神经元会按照一定的顺序放电。在休息和睡眠期间，海马体以更快的速度重播该序列数百或数千次，产生更有可能固化为长期记忆的电波纹。
中国科学院脑科学与智能技术卓越中心王利平团队发现，当人们对事物进行排序时，顺序信息会被记录在大脑中相应的“子空间”中，该“子空间”反映了神经元不同的全局状态。当面临需要反转顺序的认知任务时，子空间中的信息通过生成临时空间来交换。
在微观尺度上，科学家们正试图在神经元尺度上重建大脑。谷歌科学家使用 AI 工具将 1 立方毫米人脑的 5,000 张图像拼接在一起，构建出包含约 57,000 个神经元和 1.5 亿个突触的令人惊叹的 3D 地图。
美国普林斯顿大学的研究人员首次绘制了整个果蝇大脑的图谱。尽管果蝇的大脑只有一粒沙子那么大，但它是迄今为止绘制完成的最大的大脑，拥有 140,000 个神经元。
人脑中约有 860 亿个神经元，完整地绘制它们的图谱仍然是一项艰巨的任务。 “接下来，在我们考虑绘制整个人类大脑之前，首先是小鼠大脑。它包含的神经元数量大约是果蝇的 1,000 倍。”广达杂志提到。
植物有感情吗？
人类用眼睛看、用耳朵听、用头脑思考，而其他生物则有其他感知世界的方式。 2024年，当许多人热衷于探索人工智能是否具有意识时，许多生物学家正在试图了解那些与我们有共同祖先的生物同伴的“内部”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份宣言，将对“现象意识”的科学支持扩展到比以往更广泛的动物群体，包括昆虫、螃蟹、章鱼、鱼类、爬行动物和两栖动物。
广达引用一位生物学家的话说，具有非凡意识的生物“能够体验痛苦、快乐或饥饿等感觉，但不一定能体验自我意识等更复杂的心理状态”。
植物没有意识，但它们有时会参与其他感觉和调节活动，例如计算。欧洲山毛榉树可以在 1,500 公里范围内同步繁殖，这种壮观的现象被称为肥大播种。在一项研究中，生态学家分析了 60 多年的数据，结果表明山毛榉树能够感知一年中最长的白天，并将其繁殖时间安排在夏至和日照高峰期。
另一项研究着眼于杂草拟南芥的感知能力。结果表明，幼苗利用细胞之间的空气间隙来散射光线，形成从亮到暗的梯度，以便它们在生长时跟随光线。
其他研究发现单细胞细菌可以感知季节变化。它们简单的生物钟可以随着冬天的临近追踪白昼的缩短，为寒冷的天气做好准备，即使这个冬天在很多代人中都不会到来，就像人类为子孙后代所做的那样。
