雖說研究新型冠狀病毒仍是重中之重，2020年生物學(xué)家也有其他重要發(fā)現(xiàn)：
例如更深入了解大腦如何處理信息，個(gè)體性如何界定，以及為什么缺乏睡眠會(huì)帶來諸多危害……
如果要選出2020年生命科學(xué)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(dòng)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球新型冠狀病毒確診病例已超過7800萬，死亡病例高達(dá)170多萬，對(duì)經(jīng)濟(jì)造成重創(chuàng)的同時(shí)，幾乎徹底取消了公共場(chǎng)所聚會(huì)和社交活動(dòng)，迫使人們改變了工作和學(xué)習(xí)的模式，連戴口罩都成了一項(xiàng)政治規(guī)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(xué)概念成了人們茶余飯后的常備話題。
盡管形勢(shì)嚴(yán)峻，科學(xué)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(gè)體免疫系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)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(duì)新型冠狀病毒知之甚少，對(duì)其有限的了解，基本來自于動(dòng)物所攜帶其他冠狀病毒的經(jīng)驗(yàn)，以及與艾滋病和埃博拉病毒的類比。
但是現(xiàn)在關(guān)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(zhì)“突起”，認(rèn)為這一“突起”可作為疫苗的潛在靶點(diǎn)。
新冠病毒的疫苗開發(fā)之所以能取得如此之快的進(jìn)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(shí)證明，“深度學(xué)習(xí)”（“Deep learning”）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yùn)算復(fù)雜度依然遠(yuǎn)超科學(xué)家想象）；
微生物學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，大洋底部玄武巖（basalt）中存在壽命超過一億年的細(xì)胞；
另外，如果你因近期新聞報(bào)道的種種事件而缺乏睡眠，科學(xué)終于搞清楚了為什么這對(duì)你的健康十分有害。
應(yīng)對(duì)新冠大流行
群眾排隊(duì)等候進(jìn)行核酸檢測(cè)
圖源：Reuters/Adnan Abidi
隨著COVID-19席卷全球，政客、公共衛(wèi)生官員以及媒體記者都忙得不可開交，關(guān)于疫情會(huì)變得多么嚴(yán)重，社會(huì)與個(gè)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(duì)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(shí)證明，古老的隔離法（包括保持社交距離），以及針對(duì)病原體研發(fā)疫苗還是無法替代的手段。
一些研究人員堅(jiān)信，研發(fā)疫苗始終是應(yīng)對(duì)未來可能出現(xiàn)流行病的不二法門。
面對(duì)創(chuàng)紀(jì)錄的死亡人數(shù)，關(guān)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(gòu)成對(duì)于病害嚴(yán)重度（disease severity）的影響，并對(duì)人體免疫系統(tǒng)遭忽視的地方給予關(guān)注。
了解大腦的運(yùn)算力
即便是神經(jīng)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(jì)算機(jī)（organic computer），但若從細(xì)節(jié)上衡量對(duì)比，這個(gè)比喻則相差甚遠(yuǎn)。
數(shù)字計(jì)算機(jī)通過數(shù)以億計(jì)簡(jiǎn)單的“開與關(guān)”傳感器來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，而大腦所依靠的類似結(jié)構(gòu)，則是數(shù)量高達(dá)千億的神經(jīng)元。
經(jīng)科學(xué)不斷證實(shí)，神經(jīng)元本身是極其復(fù)雜。
研究人員逐步認(rèn)識(shí)到，即便是神經(jīng)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(gè)神經(jīng)元都是一臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。
但把計(jì)算機(jī)與大腦類比也有用武之地，當(dāng)具備“深度學(xué)習(xí)”能力的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理感知類問題時(shí)，與大腦組織結(jié)構(gòu)相似者往往表現(xiàn)更出色。
這兩種運(yùn)算系統(tǒng)似乎最終在運(yùn)算結(jié)論上殊途同歸，這或許意味著，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)作為有力工具對(duì)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(dòng)物一樣都會(huì)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(shí)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(dòng)物一樣都會(huì)殞命。
超過一個(gè)世紀(jì)的孜孜探索和研究都無法解釋為何缺乏睡眠會(huì)如此致命。
今年，人們終于找到了一個(gè)答案，出乎意料的是，問題不出在大腦，竟是內(nèi)臟。
研究人員用果蠅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺乏睡眠導(dǎo)致果蠅腸內(nèi)產(chǎn)生大量自由基（free radicals），繼而導(dǎo)致果蠅體內(nèi)出現(xiàn)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(duì)睡眠的需求。但這種治療手段還尚未成熟，用于人體還為時(shí)過早。
基因的源頭與盡頭
生物體在進(jìn)行復(fù)雜進(jìn)化時(shí)會(huì)撇棄一些基因
圖源：Crispe for Quanta Magazine
偶發(fā)的基因突變和DNA復(fù)制為舊基因帶來了變化，但數(shù)十年來，生物學(xué)家對(duì)新基因究竟如何進(jìn)化和獲取新功能始終一知半解。
許多科學(xué)家至今仍持懷疑態(tài)度，高等生命如此復(fù)雜，這種進(jìn)化究竟是否可能存在？
然而，近期的研究有了震撼發(fā)現(xiàn)，新基因的確是按部就班地進(jìn)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(guān)生存的舊基因同樣不可或缺，從一定程度上來講，這是因?yàn)椴煌锓N間和有機(jī)體內(nèi)部不斷相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)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(huì)使生物有機(jī)體變得更加復(fù)雜：事實(shí)上，研究發(fā)現(xiàn)，縱觀許多物種的世系來看，生物有機(jī)體在進(jìn)行復(fù)雜進(jìn)化時(shí)會(huì)撇棄一些基因。
生物的個(gè)體性與共生性
生物有機(jī)體在個(gè)體上表現(xiàn)出的獨(dú)特性一定程度上來自于基因排列組合以及自然環(huán)境的協(xié)同影響
圖源：TamasTuzes-Katai, Bianca Ackerman, Nikolas Noonan
個(gè)體性（Individuality）是生物學(xué)上一個(gè)比較模糊籠統(tǒng)的概念，因?yàn)橹T多生物有機(jī)體（living organisms）的生存都高度相互依賴。
舉例來說，一個(gè)螞蟻的群落，究竟是該視為由一只只螞蟻個(gè)體組成的生態(tài)社會(huì)，還是該視為一個(gè)具有特定共性的生物集合體？
不論如何，2020年科學(xué)家對(duì)生物共存與個(gè)體性的平衡有了更深刻的認(rèn)識(shí)。
在信息理論的支持下，研究人員找到了界定生物有機(jī)體個(gè)體性程度（degrees of individuality）的客觀標(biāo)準(zhǔn)。
生物進(jìn)化學(xué)家了解到，木蟻（carpenter ants）及寄生在其腸胃中的細(xì)菌存在密切的共生關(guān)系長(zhǎng)達(dá)5100多萬年之久。
而另一方面，研究人員也發(fā)現(xiàn)有些動(dòng)物并不需要某種微生物永久地寄生在其體內(nèi)。
同時(shí)，科學(xué)家們?cè)谘芯筐ひ鹤冃蜗x后發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞生物看似形單影只，與同伴的生活節(jié)奏不協(xié)調(diào)，但卻能為有利于整個(gè)群體的特殊目的發(fā)揮作用。
生物有機(jī)體在個(gè)體上表現(xiàn)出的獨(dú)特性一定程度上來自于基因排列組合以及自然環(huán)境的協(xié)同影響，即先天和后天的雙重塑造。
但生物學(xué)家愈加發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上隨機(jī)發(fā)生的變化，或者叫“雜音”，也是一個(gè)重要因素。這種“雜音”作為促成生物多樣性的天然助力，促進(jìn)了進(jìn)化的發(fā)展。
極端惡劣的環(huán)境中仍有生命存在
有些細(xì)胞的生命活動(dòng)處于異常的靜止?fàn)顟B(tài)，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(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家們對(duì)在太陽(yáng)系中的其他行星或者月球上發(fā)現(xiàn)生命抱有希望。
今年，活細(xì)胞又一次在被認(rèn)為絕不宜居的地段露面，再次顯明了生命可以如此頑強(qiáng)。
科學(xué)家們從玄武巖內(nèi)部提取了活細(xì)胞，這些細(xì)胞已經(jīng)上億年無法獲取陽(yáng)光和養(yǎng)分。它們的生活節(jié)奏極其緩慢，可能一千年才分裂一次。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，有些細(xì)胞的生命活動(dòng)處于異常的靜止?fàn)顟B(tài)，只需攝取極低的能量來維持生命。
生物學(xué)是研究生命和生物的自然科學(xué)，包括物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)過程、分子相互作用、生理機(jī)制、發(fā)展和進(jìn)化……
這個(gè)世界上唯一不變的就是變化本身。
每一天，隨著新技術(shù)的突破和知識(shí)的進(jìn)步，日常生活的方方面面都在發(fā)生變化，都為生物學(xué)的研究提出了新問題、新挑戰(zhàn)。
2020年，我們?cè)诶斫馍幕具^程方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(gè)細(xì)胞，地球上的生命是如何起源，人衰老的根本原因……
未來，我們?nèi)栽谂Γ平馍膴W秘。也許生物學(xué)給予我們最激勵(lì)人心的啟迪，就是告訴我們“生命不止，自強(qiáng)不息”。
參考：
https://www.quantamagazine.org/quantas-year-in-biology-2020-20201223/
https://en.wikipedia.org/wiki/Biology
編譯 | Gabrielle版面 | 顧天紅
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