生物学中一年

生物学家用人工智能来做出关于分子和大脑的发现并推翻了长期把持的关于免疫系统和RNA的假设。

视频：我们回顾2024 年的最大三个生物学故事：一个重建所有现代生命的古老祖先、发现一种调节免疫系统的神经回路以及人工智能的蛋白质科学的改造。Richard Borge for Quanta Magazine

2024 IN REVIEW

ByHannah Waters

Senior Editor

December 18, 2024

许多类型的发现能惊讶人和喜悦，但很少的发现是比被推翻的假设更令人兴奋的——当科学家有时无意的绊倒在一种来颠覆公认的智慧的方法上时。

例如几十年来，生物学家已经假设免疫系统不用我们大脑的干预自我调节。但今年他们发现了脑干中的一个神经回路向上和向下拨炎症分子的水平——一个在实验室中做出的不是在免疫学而是在味觉意义上有专业知识的启示。埃丝特·兰杜瓦 （Esther Landuis）在量子杂志上写道，“也许这用了一个做出这个发现视角中的变化”。

今年，科学家们在我们的生命如何运作的基本理解中做出了许多其他重大进展。新工具--尤其人工智能--已被整合进生物学并正在推动发现。研究人员正在创造性地探索多细胞性可能已经演变的不同方式，包括在某些案例中为什么它已经没有进化。他们更好理解了微小的分子变化如何在进化和日常生物学中表现。

Fran Pulido for Quanta Magazine

生物学家遇见人工智能革命

2024年，难得每个星期没有一篇相关到谷歌深度思维的 AlphaFold2的大型新论文：一种能从它的氨基酸分子的一维字符串中准确预测一个折叠的蛋白质的三维结构的神经网络。例如，在药物发现中生物学家测试了它的识别新药物靶点和迷幻分子的能力。在基础科学中，AlphaFold2 帮助研究人员检查病毒进化并发现一种在受精期间将一个精子结合到一个卵子的蛋白质。这些渐进式的进步表明了生物学和计算机科学之间关系中的一个变化的海洋。

劳伦斯伯克利国家实验室的保罗·亚当斯说，“这以许多好的方式而不是坏的方式改变结构生物学，这只会使这个领域成为一个更令人兴奋来工作的领域” 。

今年 5 月，谷歌 深度思维发布了 AlphaFold3，它预测蛋白质随它们与其他分子相互作用的形状。然后，在 10 月诺贝尔化学奖被授予来自谷歌深度思维的创造者约翰（John Jumper）和德米斯（Demis Hassabis）和来自华盛顿大学用人工智能革命化蛋白质设计的戴维（David Baker）（从 2024 年 6 月开始亚瑟敏（Yasemin Saplakoglu）的这项研究的扩展量子杂志专题被证明是有先见之明的：“人们认为他们可以变成百万富翁，因为他们有正确的算法，而其他一些人认为他们会立即的获得诺贝尔奖，”帕多瓦大学的西尔维奥·托萨托 （Silvio Tosatto）告诉她）。

Robert Neubecker for Quanta Magazine

进化中的关键时刻

“我们如何走到这里的？” 是生物学家最喜欢的问题之一。他们倾向于将生命的起源追溯到进化史中的几个关键时刻，今年他们在理解我们所知道的生命如何起飞中做出了进展。

一个跨学科小组应用系统发育学的最新技巧——用基因和基因组来构建进化树——将所有现代生命追溯回到我们共享的祖先。这个古老的细胞或细胞的群被称为“最后一个统一的共同祖先（LUCA）”，从中今天浮现的一切都来自的一个。研究人员的创新是一种评估了在最后一个统一的共同祖先中存在数千个基因中的每个基因的概率的技术。该研究提示最后一个统一的共同祖先是一个令人惊讶复杂的代谢氢气和二氧化碳的细胞，有一个基本的免疫系统，并且可能生活在微生物生态系统中（从中最后一个统一的共同祖先是唯一的幸存者）。该研究还将最后一个统一的共同祖先追溯回到大约 42 亿年前——比研究人员想的更早。

另一个关键时刻——或更是时刻的集合——是多细胞性的发生了不只一次而是至少25 次的进化并可能更多。生物学家卡尔·辛普森 （Carl Simpson）追溯动物多细胞性回到地球历史中的一段当时地球被冻结过被称为雪球地球的时期。另一项研究询问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。答案可以归结为一个叫基因漂变的进化过程。

细菌已经进化出了简单形式的多细胞性例如生活在群落中，但古细菌从未被观测到做同样的——直到今年当研究人员发现了简单地挤压古细菌细胞就可以让它们形成多细胞、组织一样结构时为止。在中国，科学家发现了追溯回到 16 亿年前的多细胞真核生物化石，将真核生物多细胞性的时间线推回大约 6 亿年。

Tran The Ngoc/Shutterstock

非人类的思维和直觉

科学家偏向于以一种特定的方式感知和理解世界：我们用眼睛看，用耳朵听，用一个由数十亿个细胞组成的奇迹般复杂的器官思考。其他生物也感觉、感知和响应它们的环境，但想象它们的体验是很难的。今年生物学家推动了我们来开放我们的思维。

今年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“现象的意识”的科学支持扩展到一个比以前任何人已经正式承认的更广泛的动物包括昆虫、螃蟹、章鱼、鱼类、爬行动物和两栖动物组。丹·福尔克 （Dan Falk） 为量子杂志写道，这种现象的意识的生物“有来体验痛苦、快乐或饥饿等感觉的能力，但不一定更复杂的心智状态，如自我晓知”。

植物本身没有意识，但有时它们需要做出计算。研究表明了欧洲山毛榉树能感知一年中最长的白昼。每年跨从英国到意大利绵延 1500 公里的树木都像发条一样在一个壮观的被称为桅杆中同步化它们的繁殖。生态学家分析了 60 多年的数据来表明山毛榉将这一事件的时间定在夏至和白昼高峰期。另一项研究观察杂草拟南芥中的直觉。原来是幼苗用它们的细胞之间的空气空间来散射光并创造从明亮到昏暗的渐变，这样它们能随它们生长跟随光线。

今年，研究人员还发现单细胞细菌能感知季节变化。随冬天临近它们的简单的生物钟能追踪白昼的缩短，允许它们来为更寒冷的天气做准备，即便那个冬天要晚很多代到来。

Nash Weerasekera for Quanta Magazine

这是 RNA 的世界。我们只是生活在它之中

自它被发现以来，这种分子 RNA 一直被考虑为某些不如 DNA的东西：单链、脆弱、仅仅一个信使。但研究日益揭示了RNA 对生命不止于此中心的。事实上，基因组的大多数所谓的非编码部分被转录成在细胞中起非信使角色的RNA 分子，例如调节基因的表达。一种新的许多重要的动态基因组过程可能通过演出的观点正在浮现。这一概念被诺贝尔委员会强化，该委员会将诺贝尔生理学或医学奖授予发现了 microRNA的研究人员。这些短分子使支撑复杂多细胞生命的基因调控成为可能。

越来越多的研究还表明RNA 是一种交流工具。今年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，创造一种为共享及时的、短暂的信息的细胞文本系统。这一发现证实了古细菌、细菌和真核生物都能交换这些 RNA 信息。原来是发射信息到细胞之外可能是 RNA 的固有角色之一

在今年最奇怪的发现之一中，生物学家发现了一种新形式的“狂诡异”的 RNA——比病毒更小的扁平圆圈并被标榜为“方尖碑”——生活在殖民我们肠道和口腔的细菌中。北卡罗来纳大学教堂山分校的马克·佩弗 （Mark Peifer） 告诉《自然》杂志，“世界上只是充满新东西，一旦你开始来看你发现它们” 。

Nico Roper for Quanta Magazine

探究思维

 今年最冲击思维的发现之一是关于大脑和身体的整合。长期以来大多数免疫学家已经假定了免疫系统是自我调节的。研究人员首次已经发现了位于脑干中调节免疫系统的一个神经回路。该回路感应体内的炎症分子并然后拨它们的水平向上或向下来保护健康的组织。这项工作代表连接身体和思维的结构中日益增长的兴趣，例如将大脑连接到器官统一情绪反应的迷走神经，以及在透明液体中沐浴脊髓和大脑的脑脊髓系统——今年被发现也来沐浴全身的神经。

今年，研究人员在了解数千个神经元如何快速放电—被称为“一个尖锐波涟漪”--形成记忆中也做出了进展。伦敦大学学院的丹尼尔·本多 （Daniel Bendor） 告诉量子杂志，当我们有一次体验时神经元以一定的顺序放电，宛如它们正在敲击出“钢琴上的一个旋律”一样。在休息和睡眠期间，海马体重放序列，但更快并潜在的成百上千次，产生电涟漪。通过休息，这些序列更有可能被固化成长期记忆。

在微小的尺度上，神经科学家正在继续他们的工作来逐个神经元重建大脑神经元。今年，谷歌科学家用人工智能工具将取自人脑的 1 立方毫米或整个结构的百万分之一的 5000 张图像缝在一起来构建一张令人惊叹的 3D 映射。它包含大约57000 个神经元和 1.5 亿个突触，容纳1.4 皮塔字节的数据。在一个相关的案例中，研究人员首次映射了整个果蝇大脑。一粒沙子的尺寸，它是迄今为止被完全映射的最大大脑，有 140000 个神经元（相比到人类大脑的860 亿个神经元）。接下来，在我们能思考映射一个完整的人类大脑之前是小鼠大脑，它包含大约是果蝇的神经元数量的1000 倍的神经元。

https://www.quantamagazine.org/the-year-in-biology-20241218/