回顾2024年的生物学
- 量子位
- 2024-12-22 19:33:57
回顾2024年的生物学
2024年无疑是生物学界激动人心的一年：人工智能、进化生物学、RNA研究等领域都迎来了重大突破。让我们一同回顾今年的亮点成果。
一、今年，人工智能在生物学中的应用取得了飞跃性的进展，特别是谷歌DeepMind推出的AlphaFold2和AlphaFold3。这些神经网络能够准确预测蛋白质从一维氨基酸序列折叠成三维结构的过程——
- 药物发现：生物学家利用AlphaFold2识别新的药物靶点和迷幻分子。
- 基础研究：AlphaFold2帮助科学家研究病毒进化，发现了在受精过程中结合精子与卵子的蛋白质。
- 技术升级：五月，谷歌DeepMind发布了AlphaFold3，提升了性能和计算效率，并能够预测蛋白质与其他分子的相互作用。
- 诺贝尔奖：十月，诺贝尔化学奖颁给了AlphaFold2的创始人John Jumper和Demis Hassabis，以及华盛顿大学的David Baker，他们利用AI彻底改变了蛋白质设计的方式。
二、生物学家们在理解生命起源和进化的过程中取得了重要进展——
- LUCA的研究：
- 一个跨学科团队利用最新的系统发育学方法，追溯了所有现代生命的共同祖先——LUCA（Last Universal Common Ancestor）。
- 他们开发了一种新技术，评估每个基因在LUCA中存在的概率。
- 研究表明，LUCA是一种非常复杂的细胞，能够代谢氢气和二氧化碳，拥有初步的免疫系统，并且生活在一个微生物生态系统中。
- 研究将LUCA的出现时间推回到大约42亿年前，比之前的估计更早。
- 多细胞生物的进化：
- 生物学家Carl Simpson追踪了动物多细胞性的起源，发现多细胞性在地球历史上的“雪球地球”（Snowball Earth）时期，至少出现了25次，甚至更多。
- 大约7亿到6.3亿年前，地球被冰雪覆盖，这为复杂生命的出现提供了独特的环境。
- 另一个研究探讨了细菌等原核细胞未能进化成复杂的多细胞生物，发现这可能与一种叫做“基因漂移”的进化过程有关。
三、今年，科学家们在理解非人类生物的感知和意识方面迈出了重要一步——
- 现象意识的扩展：
- 四月，一组生物学家、认知科学家和哲学家签署了一份声明，扩大了对“现象意识”的科学支持范围。
- 这包括昆虫、螃蟹、章鱼、鱼类、爬行动物和两栖动物等更多种类。
- 这些生物具有体验疼痛、快乐或饥饿等感受的能力，尽管它们可能没有自我意识。
- 植物的感知能力：
- 欧洲山毛榉树能够感知一年中最长的一天，每年像钟表一样同步繁殖，这种现象被称为“丰产事件”。
- 研究表明，这些树木将这一事件的时间与夏至和最长的日照时间同步。
- 杂草阿拉伯芥的幼苗利用细胞间的空气间隙来散射光线，形成从明亮到昏暗的梯度，从而引导它们向光生长。
- 单细胞细菌的季节感知：
- 研究发现，这些细菌通过简单的昼夜节律钟，来追踪白天时间的长短，提前准备迎接即将到来的寒冷天气，即使这个冬天可能会在许多代之后才到来。
四、RNA自发现以来，一直被认为不如DNA重要，但近年来的研究逐渐改变了这一看法——
- RNA的调控功能：
- 大部分所谓的非编码基因，实际上被转录成具有调控基因表达功能的RNA分子。
- 新的研究表明，许多重要的基因组过程可能是通过RNA来进行调控的。
- 这一观点得到了诺贝尔委员会的认可，2024年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现微小RNA（microRNA）的研究人员，这些短小的分子能够调控基因表达，支撑复杂多细胞生命的存在。
- RNA的通信功能：
- 研究人员首次发现古菌细胞通过胞外囊泡交换非编码RNA，形成了一种类似于细胞“发短信”的通信系统。
- 这一发现证明，古菌、细菌和真核生物都可以通过RNA传递信息，这可能是RNA的一个内在功能。
- 奇异RNA的发现：
- 生物学家在肠道和口腔细菌中发现了一种新的“奇异”RNA——被称为“方尖碑”的扁平圆形RNA，比病毒还小。
- 这些RNA的功能尚不清楚，但正如北卡罗来纳大学的Mark Peifer所说：“这个世界充满了新事物，一旦开始探索，就会发现它们。”
五、今年最令人震惊的发现之一是大脑与身体的整合——
- 脑干中的神经回路：
- 过去，大多数免疫学家认为免疫系统是自我调节的。
- 今年，研究人员首次发现了位于脑干中的一个神经回路，能够调节免疫系统。
- 这个回路能够感知体内的炎性分子，并调节其水平，以保护健康组织。
- 这项工作表明，心智与身体之间的联系比我们以前想象的更加紧密。
- 记忆形成的尖波涟漪：
- 研究人员深入理解了“尖波涟漪”（sharp wave ripple）——大脑中数千个神经元快速发放的电信号，如何形成记忆。
- 当我们经历某个事件时，神经元会按照特定顺序发放，类似于在钢琴上弹奏一段旋律。
- 休息和睡眠期间，海马体会以更快的速度重复这些序列，产生电涟漪，从而巩固长期记忆。
- 大脑结构的重建：
- 神经科学家们继续努力，逐个重建大脑神经元的结构。
- 今年，谷歌科学家利用AI工具将来自1立方毫米人脑的5000张图像拼接在一起，构建了一个三维大脑地图，包含约57000个神经元和1.5亿个突触，数据量达到1.4PB。
- 相关研究还首次绘制了整个果蝇的大脑地图，这是迄今为止最大的完全映射大脑，包含14万个神经元。
- 接下来的目标是映射鼠脑，其神经元数量约为果蝇的1000倍。
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2024年无疑是生物学界激动人心的一年：人工智能、进化生物学、RNA研究等领域都迎来了重大突破。让我们一同回顾今年的亮点成果。
一、今年，人工智能在生物学中的应用取得了飞跃性的进展，特别是谷歌DeepMind推出的AlphaFold2和AlphaFold3。这些神经网络能够准确预测蛋白质从一维氨基酸序列折叠成三维结构的过程——
- 药物发现：生物学家利用AlphaFold2识别新的药物靶点和迷幻分子。
- 基础研究：AlphaFold2帮助科学家研究病毒进化，发现了在受精过程中结合精子与卵子的蛋白质。
- 技术升级：五月，谷歌DeepMind发布了AlphaFold3，提升了性能和计算效率，并能够预测蛋白质与其他分子的相互作用。
- 诺贝尔奖：十月，诺贝尔化学奖颁给了AlphaFold2的创始人John Jumper和Demis Hassabis，以及华盛顿大学的David Baker，他们利用AI彻底改变了蛋白质设计的方式。
二、生物学家们在理解生命起源和进化的过程中取得了重要进展——
- LUCA的研究：
- 一个跨学科团队利用最新的系统发育学方法，追溯了所有现代生命的共同祖先——LUCA（Last Universal Common Ancestor）。
- 他们开发了一种新技术，评估每个基因在LUCA中存在的概率。
- 研究表明，LUCA是一种非常复杂的细胞，能够代谢氢气和二氧化碳，拥有初步的免疫系统，并且生活在一个微生物生态系统中。
- 研究将LUCA的出现时间推回到大约42亿年前，比之前的估计更早。
- 多细胞生物的进化：
- 生物学家Carl Simpson追踪了动物多细胞性的起源，发现多细胞性在地球历史上的“雪球地球”（Snowball Earth）时期，至少出现了25次，甚至更多。
- 大约7亿到6.3亿年前，地球被冰雪覆盖，这为复杂生命的出现提供了独特的环境。
- 另一个研究探讨了细菌等原核细胞未能进化成复杂的多细胞生物，发现这可能与一种叫做“基因漂移”的进化过程有关。
三、今年，科学家们在理解非人类生物的感知和意识方面迈出了重要一步——
- 现象意识的扩展：
- 四月，一组生物学家、认知科学家和哲学家签署了一份声明，扩大了对“现象意识”的科学支持范围。
- 这包括昆虫、螃蟹、章鱼、鱼类、爬行动物和两栖动物等更多种类。
- 这些生物具有体验疼痛、快乐或饥饿等感受的能力，尽管它们可能没有自我意识。
- 植物的感知能力：
- 欧洲山毛榉树能够感知一年中最长的一天，每年像钟表一样同步繁殖，这种现象被称为“丰产事件”。
- 研究表明，这些树木将这一事件的时间与夏至和最长的日照时间同步。
- 杂草阿拉伯芥的幼苗利用细胞间的空气间隙来散射光线，形成从明亮到昏暗的梯度，从而引导它们向光生长。
- 单细胞细菌的季节感知：
- 研究发现，这些细菌通过简单的昼夜节律钟，来追踪白天时间的长短，提前准备迎接即将到来的寒冷天气，即使这个冬天可能会在许多代之后才到来。
四、RNA自发现以来，一直被认为不如DNA重要，但近年来的研究逐渐改变了这一看法——
- RNA的调控功能：
- 大部分所谓的非编码基因，实际上被转录成具有调控基因表达功能的RNA分子。
- 新的研究表明，许多重要的基因组过程可能是通过RNA来进行调控的。
- 这一观点得到了诺贝尔委员会的认可，2024年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现微小RNA（microRNA）的研究人员，这些短小的分子能够调控基因表达，支撑复杂多细胞生命的存在。
- RNA的通信功能：
- 研究人员首次发现古菌细胞通过胞外囊泡交换非编码RNA，形成了一种类似于细胞“发短信”的通信系统。
- 这一发现证明，古菌、细菌和真核生物都可以通过RNA传递信息，这可能是RNA的一个内在功能。
- 奇异RNA的发现：
- 生物学家在肠道和口腔细菌中发现了一种新的“奇异”RNA——被称为“方尖碑”的扁平圆形RNA，比病毒还小。
- 这些RNA的功能尚不清楚，但正如北卡罗来纳大学的Mark Peifer所说：“这个世界充满了新事物，一旦开始探索，就会发现它们。”
五、今年最令人震惊的发现之一是大脑与身体的整合——
- 脑干中的神经回路：
- 过去，大多数免疫学家认为免疫系统是自我调节的。
- 今年，研究人员首次发现了位于脑干中的一个神经回路，能够调节免疫系统。
- 这个回路能够感知体内的炎性分子，并调节其水平，以保护健康组织。
- 这项工作表明，心智与身体之间的联系比我们以前想象的更加紧密。
- 记忆形成的尖波涟漪：
- 研究人员深入理解了“尖波涟漪”（sharp wave ripple）——大脑中数千个神经元快速发放的电信号，如何形成记忆。
- 当我们经历某个事件时，神经元会按照特定顺序发放，类似于在钢琴上弹奏一段旋律。
- 休息和睡眠期间，海马体会以更快的速度重复这些序列，产生电涟漪，从而巩固长期记忆。
- 大脑结构的重建：
- 神经科学家们继续努力，逐个重建大脑神经元的结构。
- 今年，谷歌科学家利用AI工具将来自1立方毫米人脑的5000张图像拼接在一起，构建了一个三维大脑地图，包含约57000个神经元和1.5亿个突触，数据量达到1.4PB。
- 相关研究还首次绘制了整个果蝇的大脑地图，这是迄今为止最大的完全映射大脑，包含14万个神经元。
- 接下来的目标是映射鼠脑，其神经元数量约为果蝇的1000倍。
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