虽说研究新型冠状病毒仍是重中之重，2020年生物学家也有其他重要发现：例如更深入了解大脑如何处理信息，个体性如何界定，以及为什么缺乏睡眠会带来诸多危害……

如果要选出2020年生命科学界首屈一指的大事件，那么毫无疑问，COVID-19全球大流行的地位无可撼动。

据统计，全球新型冠状病毒确诊病例已超过7800万，死亡病例高达170多万，对经济造成重创的同时，几乎彻底取消了公共场所聚会和社交活动，迫使人们改变了工作和学习的模式，连戴口罩都成了一项政治规定。

诸如“群体免疫（herd immunity）”以及“气溶胶传播（aerosol transmission）”之类的流行病学概念成了人们茶余饭后的常备话题。

尽管形势严峻，科学界也在迎难而上。其中大量研究聚焦于新型冠状病毒和其他病毒，或者个体免疫系统如何应对病原体的侵袭。

新型冠状病毒图源：ISGlobal

在疫情大流行初期，我们对新型冠状病毒知之甚少，对其有限的了解，基本来自于动物所携带其他冠状病毒的经验，以及与艾滋病和埃博拉病毒的类比。

但是现在关于新型冠状病毒的研究迅速增加，许多研究都着眼于病毒表面的蛋白质“突起”，认为这一“突起”可作为疫苗的潜在靶点。

新冠病毒的疫苗开发之所以能取得如此之快的进展，很大程度上得益于先前大量研究的铺垫。

至于其他的科技前沿，同样硕果颇丰。

事实证明，“深度学习”（“Deep learning”）人工神经网络能够帮助人们更好地了解大脑如何处理信息（即便大脑的运算复杂度依然远超科学家想象）；

微生物学家惊讶地发现，大洋底部玄武岩（basalt）中存在寿命超过一亿年的细胞；

另外，如果你因近期新闻报道的种种事件而缺乏睡眠，科学终于搞清楚了为什么这对你的健康十分有害。

应对新冠大流行

群众排队等候进行核酸检测图源：Reuters/Adnan Abidi

随着COVID-19席卷全球，政客、公共卫生官员以及媒体记者都忙得不可开交，关于疫情会变得多么严重，社会与个人如何防治等问题层出不穷。

在新冠大流行初期，一些人把希望过分寄托在部分人群可能对病毒具有更高的天然抵抗力，或者群体免疫可以在无需疫苗情况下控制病毒传播。

但事实证明，古老的隔离法（包括保持社交距离），以及针对病原体研发疫苗还是无法替代的手段。

一些研究人员坚信，研发疫苗始终是应对未来可能出现流行病的不二法门。

面对创纪录的死亡人数，关于COVID-19的研究虽然无法起到慰藉作用，但能使人们更多地了解基因构成对于病害严重度（disease severity）的影响，并对人体免疫系统遭忽视的地方给予关注。

了解大脑的运算力

即便是神经元树枝状的臂膀，似乎都具备处理信息的能力图源：Imre Vida

人们常把大脑称为天然计算机（organic computer），但若从细节上衡量对比，这个比喻则相差甚远。

数字计算机通过数以亿计简单的“开与关”传感器来实现运算，而大脑所依靠的类似结构，则是数量高达千亿的神经元。

经科学不断证实，神经元本身是极其复杂。

研究人员逐步认识到，即便是神经元树枝状的臂膀，似乎都具备处理信息的能力，这也就意味着每个神经元都是一台独立运行的计算机。

但把计算机与大脑类比也有用武之地，当具备“深度学习”能力的人工智能神经网络处理感知类问题时，与大脑组织结构相似者往往表现更出色。

这两种运算系统似乎最终在运算结论上殊途同归，这或许意味着，深度学习网络作为有力工具对于解码大脑奥秘的意义日渐凸显。

睡眠为何如此重要

一旦剥夺了睡眠，人和其他动物一样都会殒命图源：Corey Brickleyfor Quanta Magazine

“睡眠…把纷乱的忧虑编织如初。” 莎士比亚戏剧中的麦克白如是说。

这段描述实际上微妙触及了睡眠的重要性，一旦剥夺了睡眠，人和其他动物一样都会殒命。

超过一个世纪的孜孜探索和研究都无法解释为何缺乏睡眠会如此致命。

今年，人们终于找到了一个答案，出乎意料的是，问题不出在大脑，竟是内脏。

研究人员用果蝇进行实验，发现缺乏睡眠导致果蝇肠内产生大量自由基（free radicals），继而导致果蝇体内出现一系列其他问题。

有意思的是，抗氧化剂帮助果蝇避免了缺乏睡眠招致的身体损伤，甚至减少了果蝇对睡眠的需求。但这种治疗手段还尚未成熟，用于人体还为时过早。

基因的源头与尽头

生物体在进行复杂进化时会撇弃一些基因图源：Crispe for Quanta Magazine

偶发的基因突变和DNA复制为旧基因带来了变化，但数十年来，生物学家对新基因究竟如何进化和获取新功能始终一知半解。

许多科学家至今仍持怀疑态度，高等生命如此复杂，这种进化究竟是否可能存在？

然而，近期的研究有了震撼发现，新基因的确是按部就班地进化而来，而且是来自被人们一度戏称为“垃圾DNA”的染色体。

除此之外，这些新基因似乎与那些攸关生存的旧基因同样不可或缺，从一定程度上来讲，这是因为不同物种间和有机体内部不断相互竞争的结果，使得旧基因的用途濒临淘汰。

奇怪的是，多余的基因并不一定会使生物有机体变得更加复杂：事实上，研究发现，纵观许多物种的世系来看，生物有机体在进行复杂进化时会撇弃一些基因。

生物的个体性与共生性

图源：TamasTuzes-Katai, Bianca Ackerman, Nikolas Noonan

个体性（Individuality）是生物学上一个比较模糊笼统的概念，因为诸多生物有机体（living organisms）的生存都高度相互依赖。

举例来说，一个蚂蚁的群落，究竟是该视为由一只只蚂蚁个体组成的生态社会，还是该视为一个具有特定共性的生物集合体？

不论如何，2020年科学家对生物共存与个体性的平衡有了更深刻的认识。

在信息理论的支持下，研究人员找到了界定生物有机体个体性程度（degrees of individuality）的客观标准。

生物进化学家了解到，木蚁（carpenter ants）及寄生在其肠胃中的细菌存在密切的共生关系长达5100多万年之久。

而另一方面，研究人员也发现有些动物并不需要某种微生物永久地寄生在其体内。

同时，科学家们在研究黏液变形虫后发现，单细胞生物看似形单影只，与同伴的生活节奏不协调，但却能为有利于整个群体的特殊目的发挥作用。

生物有机体在个体上表现出的独特性一定程度上来自于基因排列组合以及自然环境的协同影响，即先天和后天的双重塑造。

但生物学家愈加发现，统计学意义上随机发生的变化，或者叫“杂音”，也是一个重要因素。这种“杂音”作为促成生物多样性的天然助力，促进了进化的发展。

极端恶劣的环境中仍有生命存在

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

微生物能在“水深火热”的地下世界兴旺繁殖，既可以在沸腾炽热的温泉中，也在大洋深底的沉积岩下。

这一发现使得科学家们对在太阳系中的其他行星或者月球上发现生命抱有希望。

今年，活细胞又一次在被认为绝不宜居的地段露面，再次显明了生命可以如此顽强。

科学家们从玄武岩内部提取了活细胞，这些细胞已经上亿年无法获取阳光和养分。它们的生活节奏极其缓慢，可能一千年才分裂一次。

进一步研究发现，有些细胞的生命活动处于异常的静止状态，只需摄取极低的能量来维持生命。

生物学是研究生命和生物的自然科学，包括物理结构、化学过程、分子相互作用、生理机制、发展和进化……

这个世界上唯一不变的就是变化本身。

每一天，随着新技术的突破和知识的进步，日常生活的方方面面都在发生变化，都为生物学的研究提出了新问题、新挑战。

2020年，我们在理解生命的基本过程方面取得了长足的进步，但一些基本问题仍未解决：分子是如何聚集在一起形成第一个细胞，地球上的生命是如何起源，人衰老的根本原因……

未来，我们仍在努力，破解生命的奥秘。也许生物学给予我们最激励人心的启迪，就是告诉我们“生命不止，自强不息”。

参考：

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

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

（本文未经造就授权，禁止转载。）

编译 | Gabrielle