除了COVID-19你還需要關注的——生物科學在2020

別鬧了機器

應對COVID-19大流行

隨著COVID-19席卷全球，政界人士、公共衛生官員以及媒體都在狂熱地質疑它的危害程度以及社會和個人應采取何種措施來遏制其傳播。在疫情蔓延初期，有的人對某些特定人群對新型冠狀病毒有更強的抵抗力抱有希望，有的人對群體免疫的可行性充滿希冀，認為無需疫苗就可阻止疫情蔓延。但是事實證明，包括保持社交隔離在內的傳統隔離方式和預防SARS-CoV-2疫苗的研究是不可替代的。一些研究人員甚至預測，野生動物疫苗可能是我們未來遏制大流行的最大的希望。盡管這並不能緩解大流行帶來的嚴重後果，但針對COVID-19的研究已經使人們對遺傳造成的疾病嚴重程度和免疫防禦中被忽視的方面有了更全面的了解。

了解大腦的計算能力

大腦常常被描述為一台有機計算機，但是細究起來，這種比較是無法成立的。數字計算機利用了數以億計甚至是數十億個晶體管來完成計算的，每一個晶體管都是一個簡單的通斷開關。而在人類的大腦中，類似的成分是1000億個相互作用的神經元，但它們絕非如此簡單。在正在進行的科學研究中，研究人員逐漸發現神經元的樹突突觸似乎也能夠處理信息，這意味著每個神經元本身可能更像是一台小型的計算機。但是與計算機的類比確實有其用途。當“深度學習”的人工神經網絡解決感知問題時，最有效的神經網絡明顯具有類似於活著的大腦組織的結構。這兩種類型的系統似乎都聚集在相同的計算解決方案上，這可能意味著深度網絡可能是破譯大腦秘密的日益有用的工具。

為什麼睡眠很重要

麥克白說：“睡眠……編寫著令人難以置信的護理記錄。”但這句話對睡眠的重要性有著正確的描述：被剝奪了睡眠，我們和其他動物一樣都會死亡。長達一個多世紀的研究未能科學地解釋為什麼缺乏睡眠會如此致命。但是，就在今年，科學家們終於找到了答案，但並非像人們預想的那樣在我們的大腦內部，而是在我們的腸道內部。通過對果蠅的實驗，科學家發現失眠會引起腸道中自由基的形成，進而可能會在體內引發一系列的其他問題。有趣的是，抗氧化劑有助於防止此傷害，使果蠅能夠從睡眠需求中解脫出來，但是這離人類嘗試將其作為自己失眠的補救措施還為時尚早。

基因的起源和存在

隨機的基因突變和DNA的複制可以在舊的基因上產生新的變異，但幾十年來，生物學家對真正的新型基因是如何進化以及如何獲得功能的認識十分模糊。鑒於高級生物遺傳的複雜性，許多科學家對此過程是否存在持懷疑的態度。然而，最近的研究發現表明，新基因是在以往被嘲笑為“垃圾DNA”的基因組片段中進行常規進化產生的。而且，這些新基因似乎對生物的發展和生存至關重要，甚至比原有的基因還要重要，部分原因可能是物種之間和生物內部的不斷沖突使原有的基因解決方案過時。研究還發現，新增的基因並不一定會使生物變得更加複雜，而在許多物種的世系中，生物會在丟掉基因時變得更為複雜。

生物個體與共生

個體是生物學中一個有趣的概念，因為許多生物高度的相互依賴。例如，是將蟻群理解為單個昆蟲的社會更好還是具有自己身份的生物集體更好？盡管如此，科學家今年在理解生物學的相互依賴和個體之間的平衡方面取得了重要進展。借助信息論，進化生物學家發現了定義生物個體程度的客觀標准。一方面，他們將弓背蟻與它們腸道中生存的細菌之間的基本共生關系是如何在5100萬年前形成的拼湊了起來；另一方面，他們發現了某些動物是如何在完全沒有任何永久性微生物的條件下生存的。科學家研究了粘液黴菌變形蟲發現，與自己的夥伴們格格不入的“孤獨者”在有些時候可以為集體而服務。個體的與眾不同是受到基因和環境的相互影響，即先天與後天。但是生物學家逐漸意識到隨機統計的差別或者“噪聲”也是一個重要因素。進化似乎在利用噪聲作為自然多樣性的創造者來刻畫生物的發展模式。

生命極限的深處

人們已經發現，在地下，沸騰的溫泉中以及海底沉積物中，微生物的生命正在蓬勃發展。這一結果使許多科學家對我們太陽系中其他行星和衛星的生命前景充滿希望。今年，在地球上另一個最不宜居的環境中發現了活細胞，這表明生命可以如此頑強地活著。生物學家從已經與陽光和營養物質隔離了幾億年玄武岩的內部提取到了活細胞。這些細胞以十分緩慢的速度生活，以至於它們每1000年只能分裂一次。進一步的工作表明，其中一些細胞甚至處於假死狀態，以至於它們可以通過消耗幾乎絕對最小量的能量來生存。這也許是2020年生物學最令人振奮的時刻：生命恒久遠。