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他們發現了一千年分裂一次的細胞,也發現了缺乏睡眠致死的根源不在大腦

2021-01-08  造就Talk

    雖說研究新型冠狀病毒仍是重中之重,2020年生物學家也有其他重要發現:

    例如更深入了解大腦如何處理信息,個體性如何界定,以及為什么缺乏睡眠會帶來諸多危害……


    如果要選出2020年生命科學界首屈一指的大事件,那么毫無疑問,COVID-19全球大流行的地位無可撼動。

    據統計,全球新型冠狀病毒確診病例已超過7800萬,死亡病例高達170多萬,對經濟造成重創的同時,幾乎徹底取消了公共場所聚會和社交活動,迫使人們改變了工作和學習的模式,連戴口罩都成了一項政治規定。

    諸如“群體免疫(herd immunity)”以及“氣溶膠傳播(aerosol transmission)”之類的流行病學概念成了人們茶余飯后的常備話題。

    盡管形勢嚴峻,科學界也在迎難而上。其中大量研究聚焦于新型冠狀病毒和其他病毒,或者個體免疫系統如何應對病原體的侵襲。

    新型冠狀病毒

    圖源:ISGlobal

    在疫情大流行初期,我們對新型冠狀病毒知之甚少,對其有限的了解,基本來自于動物所攜帶其他冠狀病毒的經驗,以及與艾滋病和埃博拉病毒的類比。

    但是現在關于新型冠狀病毒的研究迅速增加,許多研究都著眼于病毒表面的蛋白質“突起”,認為這一“突起”可作為疫苗的潛在靶點。

    新冠病毒的疫苗開發之所以能取得如此之快的進展,很大程度上得益于先前大量研究的鋪墊。

    至于其他的科技前沿,同樣碩果頗豐。

    事實證明,“深度學習”(“Deep learning”)人工神經網絡能夠幫助人們更好地了解大腦如何處理信息(即便大腦的運算復雜度依然遠超科學家想象);

    微生物學家驚訝地發現,大洋底部玄武巖(basalt)中存在壽命超過一億年的細胞;

    另外,如果你因近期新聞報道的種種事件而缺乏睡眠,科學終于搞清楚了為什么這對你的健康十分有害。

     應對新冠大流行 

    群眾排隊等候進行核酸檢測

    圖源:Reuters/Adnan Abidi

    隨著COVID-19席卷全球,政客、公共衛生官員以及媒體記者都忙得不可開交,關于疫情會變得多么嚴重,社會與個人如何防治等問題層出不窮。

    在新冠大流行初期,一些人把希望過分寄托在部分人群可能對病毒具有更高的天然抵抗力,或者群體免疫可以在無需疫苗情況下控制病毒傳播。

    但事實證明,古老的隔離法(包括保持社交距離),以及針對病原體研發疫苗還是無法替代的手段。

    一些研究人員堅信,研發疫苗始終是應對未來可能出現流行病的不二法門。

    面對創紀錄的死亡人數,關于COVID-19的研究雖然無法起到慰藉作用,但能使人們更多地了解基因構成對于病害嚴重度(disease severity)的影響,并對人體免疫系統遭忽視的地方給予關注。

     了解大腦的運算力 

     即便是神經元樹枝狀的臂膀,
    似乎都具備處理信息的能力

    圖源:Imre Vida

    人們常把大腦稱為天然計算機(organic computer),但若從細節上衡量對比,這個比喻則相差甚遠。

    數字計算機通過數以億計簡單的“開與關”傳感器來實現運算,而大腦所依靠的類似結構,則是數量高達千億經元。

    經科學不斷證實,神經元本身是極其復雜。

    研究人員逐步認識到,即便是神經元樹枝狀的臂膀,似乎都具備處理信息的能力,這也就意味著每個神經元都是一臺獨立運行的計算機。

    但把計算機與大腦類比也有用武之地,當具備“深度學習”能力的人工智能神經網絡處理感知類問題時,與大腦組織結構相似者往往表現更出色。

    這兩種運算系統似乎最終在運算結論上殊途同歸,這或許意味著,深度學習網絡作為有力工具對于解碼大腦奧秘的意義日漸凸顯。

     睡眠為何如此重要 

    一旦剝奪了睡眠,人和其他動物一樣都會殞命

    圖源:Corey Brickleyfor Quanta Magazine

     “睡眠…把紛亂的憂慮編織如初?!?莎士比亞戲劇中的麥克白如是說。

    這段描述實際上微妙觸及了睡眠的重要性,一旦剝奪了睡眠,人和其他動物一樣都會殞命。

    超過一個世紀的孜孜探索和研究都無法解釋為何缺乏睡眠會如此致命。

    今年,人們終于找到了一個答案,出乎意料的是,問題不出在大腦,竟是內臟。

    研究人員用果蠅進行實驗,發現缺乏睡眠導致果蠅腸內產生大量自由基(free radicals),繼而導致果蠅體內出現一系列其他問題。

    有意思的是,抗氧化劑幫助果蠅避免了缺乏睡眠招致的身體損傷,甚至減少了果蠅對睡眠的需求。但這種治療手段還尚未成熟,用于人體還為時過早。


     基因的源頭與盡頭 


    生物體在進行復雜進化時會撇棄一些基因

    圖源:Crispe for Quanta Magazine

    偶發的基因突變和DNA復制為舊基因帶來了變化,但數十年來,生物學家對新基因究竟如何進化和獲取新功能始終一知半解。

    許多科學家至今仍持懷疑態度,高等生命如此復雜,這種進化究竟是否可能存在?

    然而,近期的研究有了震撼發現,新基因的確是按部就班地進化而來,而且是來自被人們一度戲稱為“垃圾DNA”的染色體。

    除此之外,這些新基因似乎與那些攸關生存的舊基因同樣不可或缺,從一定程度上來講,這是因為不同物種間和有機體內部不斷相互競爭的結果,使得舊基因的用途瀕臨淘汰。

    奇怪的是,多余的基因并不一定會使生物有機體變得更加復雜:事實上,研究發現,縱觀許多物種的世系來看,生物有機體在進行復雜進化時會撇棄一些基因。

     生物的個體性與共生性 

    生物有機體在個體上表現出的獨特性一定程度上來自于基因排列組合以及自然環境的協同影響

    圖源:TamasTuzes-Katai, Bianca Ackerman, Nikolas Noonan

    個體性(Individuality)是生物學上一個比較模糊籠統的概念,因為諸多生物有機體(living organisms)的生存都高度相互依賴。

    舉例來說,一個螞蟻的群落,究竟是該視為由一只只螞蟻個體組成的生態社會,還是該視為一個具有特定共性的生物集合體?

    不論如何,2020年科學家對生物共存與個體性的平衡有了更深刻的認識。

    在信息理論的支持下,研究人員找到了界定生物有機體個體性程度(degrees of individuality)的客觀標準。

    生物進化學家了解到,木蟻(carpenter ants)及寄生在其腸胃中的細菌存在密切的共生關系長達5100多萬年之久。

    而另一方面,研究人員也發現有些動物并不需要某種微生物永久地寄生在其體內。

    同時,科學家們在研究黏液變形蟲后發現,單細胞生物看似形單影只,與同伴的生活節奏不協調,但卻能為有利于整個群體的特殊目的發揮作用。

    生物有機體在個體上表現出的獨特性一定程度上來自于基因排列組合以及自然環境的協同影響,即先天和后天的雙重塑造。

    但生物學家愈加發現,統計學意義上隨機發生的變化,或者叫“雜音”,也是一個重要因素。這種“雜音”作為促成生物多樣性的天然助力,促進了進化的發展。

     極端惡劣的環境中仍有生命存在 

    有些細胞的生命活動處于異常的靜止狀態,只需攝取極低的能量來維持生命

    圖源:Emma Keeler, Geology and GeophysicsDepartment, Woods Hole Oceanographic Institution

    微生物能在“水深火熱”的地下世界興旺繁殖,既可以在沸騰熾熱的溫泉中,也在大洋深底的沉積巖下。

    這一發現使得科學家們對在太陽系中的其他行星或者月球上發現生命抱有希望。

    今年,活細胞又一次在被認為絕不宜居的地段露面,再次顯明了生命可以如此頑強。

    科學家們從玄武巖內部提取了活細胞,這些細胞已經上億年無法獲取陽光和養分。它們的生活節奏極其緩慢,可能一千年才分裂一次。

    進一步研究發現,有些細胞的生命活動處于異常的靜止狀態,只需攝取極低的能量來維持生命。


    生物學是研究生命生物自然科學,包括物理結構、化學過程、分子相互作用、生理機制、發展進化……

    這個世界上唯一不變的就是變化本身。

    每一天,隨著新技術的突破和知識的進步,日常生活的方方面面都在發生變化,都為生物學的研究提出了新問題、新挑戰。

    2020年,我們在理解生命的基本過程方面取得了長足的進步,但一些基本問題仍未解決:分子是如何聚集在一起形成第一個細胞,地球上的生命是如何起源,人衰老的根本原因……


    未來,我們仍在努力,破解生命的奧秘。也許生物學給予我們最激勵人心的啟迪,就是告訴我們“生命不止,自強不息”。

    參考:

    https://www.quantamagazine.org/quantas-year-in-biology-2020-20201223/

    https://en.wikipedia.org/wiki/Biology

    (本文未經造就授權,禁止轉載。)

    編譯 | Gabrielle
    版面 | 顧天紅


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