2023 年生物学最大的发现 |广达杂志

生物科学的革命可以采取多种形式。有时，它们是由于使用一种新颖的工具或发明一种激进的理论而爆发出来的，这些理论突然为研究开辟了许多新的途径，这可能会让人感到眼花缭乱。有时，它们是通过研究的缓慢积累而慢慢形成的，每一项都代表了多年的艰苦工作，共同削弱了流行的智慧，揭示了一个更强大、更好的知识框架。这两种革命都释放了大量的新思想和见解，提高了我们对生活如何运作的理解。

过去的一年里并不缺少这些。例如，研究人员 成功培育“胚胎模型” ——实验室培育的人造胚胎，像真正的胚胎一样成熟——达到了比以往更先进的发育阶段。这一成就最终可能会产生关于人类胎儿如何生长的有价值的新见解，尽管关于这些模型的伦理地位的争论似乎也可能存在。与此同时，在神经科学领域，研究抑郁症的研究人员继续 远离理论 几十年来，这总体上指导了该疾病的大部分研究和药物治疗。

但这类生物革命涉及人类的聪明才智，生命科学研究人员也有了新的认识。生物学本身也发生了革命——进化使生物体能够做出前所未有的事情。生物学家最近发现了更多此类突破的例子。

例如，记录时间是对所有生物都至关重要的功能，从等待下一次细胞分裂的微生物到长出四肢和器官的胚胎，再到追踪白天和黑夜流逝的更复杂的生物。在世界各地实验室埋头苦干的研究团队最近发现，计时的一些关键特征是 与细胞代谢有关 - 这意味着称为线粒体的细胞器既是发电机又是时钟。计时的其他方面由 分子芭蕾的进展 其中特殊的蛋白质在再次分离之前旋转在一起。

研究人员还希望很快就能取得重要发现，因为他们可以培养一些被称为“失落已久”的原始细胞。 仙宫古菌。十亿年前，阿斯加德古细菌（或类似的细胞）迈出了与线粒体祖先建立永久伙伴关系的令人震惊的一步，从而诞生了第一个复杂的细胞。这种生物学突破如何以及为何发生的秘密可能潜藏在那些奇异的细胞培养物中。与此同时，其他研究人员正在仔细研究 “砂砾壳”微生物 生活在智利臭名昭著的干旱阿塔卡马沙漠中，寻找第一批陆地细胞如何生存的线索。

2023 年，人们发现了足够多奇妙的生物创新，形成一场名副其实的游行：浮游生物 增强他们的光合作用能力 通过重新利用它们的一种膜，以及学会了 在完全黑暗的环境下制造氧气。 一个 免疫学把戏 保护子宫内的婴儿，以及 神经学把戏 让大脑绘制出自然景观等社会关系。一个简单的突变将蚂蚁变成了 复杂的社会寄生虫 几乎一夜之间， DNA的策略性破坏 蠕虫用来保护它们的基因组。

广达 今年记录了所有这些以及更多内容，随着未来几年基础生物学的新突破的出现，我们也将支持它们。

就像物理科学家构建简单的模型系统作为理解更复杂现象的垫脚石一样，一些生物学家更喜欢通过创建更简单的版本来了解生命的运作方式。今年，他们在两个方面取得了进展：在大规模上，创建“胚胎模型”，在小规模上，研究尽可能小的细胞。

胚胎模型或合成胚胎是干细胞的实验室产品，可以在发育的早期阶段被诱导忠实地生长，尽管它们在重新执行完整的胚胎发育过程之前会自我终止。它们被设计为人类发展伦理实验研究的潜在工具。今年，以色列和英国的研究小组表明，他们可以 培育胚胎模型 一直到（甚至可能超越）法律允许活体人类胚胎研究的阶段。中国的研究人员甚至用胚胎模型短暂地让猴子怀孕。这些成功被认为是一项技术的重大突破，可以帮助科学家回答有关产前发育的重要问题，并且最终可能在预防流产和出生缺陷方面得到回报。与此同时，这些实验重新唤醒了关于这一研究方向的伦理争论，因为随着胚胎模型在发育上变得更加先进，它们也开始看起来更本质上值得保护。

合成生命并不总是在道德上存在争议。今年，研究人员 测试“最小”细胞的极限，源自细菌的简单生物体，已被剥离到只剩下基因组骨架。这些最小的细胞具有繁殖的工具，但任何不重要的基因都已被删除。在对最小细胞自然逼真程度的重要验证中，研究人员发现这种最小基因组能够进化和适应。经过实验室 300 天的生长和自然选择，最小的细胞可以成功地与它们所源自的祖先细菌竞争。研究结果证明了生命规则的稳健性——即使在几乎所有遗传资源被剥夺之后，最小的细胞也可以利用自然选择的工具恢复成更成功的生命形式。

意识是存在的感觉——意识到拥有独特的自我、现实的图景和在世界上的位置。长期以来，它一直是哲学家的研究领域，但最近科学家在理解其神经生物学基础方面取得了（某种程度的）进展。

在接受采访时 为什么的喜悦 在 XNUMX 月份发布的播客中，萨塞克斯大学的神经科学研究人员 Anil Seth 将意识描述为一种“受控的幻觉,”因为我们对现实的体验是从我们内部浮现出来的。我们谁都无法直接知道世界是什么样子；事实上，每个有机体（和个人）对世界的体验都不同。我们的现实感是由我们接收的感官信息以及我们的大脑在意识中组织和构建它的方式塑造的。从这个意义上说，我们的整个经历都是幻觉——但它是一种受控的幻觉，是大脑根据记忆和其他编码信息对当前环境和更大世界的最佳猜测描述。

我们的大脑不断吸收新的外部信息，同时也创造自己的内部图像和叙述。我们如何区分现实与幻想？今年，研究人员发现大脑有一个“现实门槛”它不断地评估处理过的信号。我们大多数的心理图像都具有相当微弱的信号，因此我们的现实阈值很容易将它们归入“假”堆。但有时我们的感知和想象力会混合在一起，如果这些图像足够强烈，我们可能会感到困惑——可能会将我们的幻觉误认为是现实生活。

意识是如何在头脑中出现的？它更多的是思考，还是感官体验的产物？今年的结果是 高调的对抗性合作 宣布了两种主要的意识理论相互对立。在五年的时间里，两个研究小组——一个代表全球神经元工作空间理论，专注于认知，另一个代表整合信息理论，专注于感知——共同创建并领导了旨在测试哪种理论预测的实验更准确。对于那些希望得到明确答案的人来说，结果可能会令人失望。在纽约举行的意识科学研究协会第 26 届会议上，研究人员承认实验对这两种理论提出了挑战，并强调了它们之间的差异，但他们拒绝宣布任何一种理论获胜。然而，这个夜晚也并非完全令人不满意：艾伦脑科学研究所的神经科学家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）承认了与纽约大学哲学家大卫·查尔默斯（David Chalmers）25年前的赌注，即意识的神经相关性现在已经被识别出来。 。

人们通常理所当然地认为抑郁症是由大脑中的化学失衡引起的：特别是长期缺乏血清素，血清素是一种在神经细胞之间传递信息的神经递质。然而，尽管根据这一理论，世界各地数以百万计的抑郁症患者通过服用百忧解和其他被称为选择性血清素再摄取抑制剂（SSRI）的药物而得到缓解，但数十年的神经精神病学研究未能验证该模型的假设。科学上的异议声音越来越大：一个国际科学家团队筛选了 350 多篇论文， 没有找到令人信服的证据 血清素水平较低与抑郁症有关。

认识到血清素缺乏可能不是抑郁症的原因，迫使研究人员从根本上重新思考抑郁症是什么。 SSRIs 可能通过改变大脑中其他更直接导致抑郁症的化学物质或过程来缓解抑郁症的某些症状。我们所说的“抑郁症”也有可能涵盖多种表现出类似症状的疾病，包括疲劳、冷漠、食欲改变、自杀念头和睡眠问题。如果是这样的话，就需要进行大量的额外研究来解开这种复杂性——区分抑郁症的类型和原因，并开发更好的治疗方法。

抑郁症可能是一种孤立的经历。但它与孤独不同，孤独是一种情绪状态，近年来神经科学家对孤独进行了更好的定义。孤独与社会隔离不同，社会隔离是对一个人所处的关系数量的客观衡量：某人可能处于多种关系中，但仍然感到孤独。它也不是社交焦虑，社交焦虑是对人际关系或某些关系经历的恐惧。

相反，越来越多的神经生物学研究表明 孤独是心灵的一种偏见 以消极的、自我惩罚的方式解释社会信息。这就好像一种生存信号，原本是为了敦促我们与我们所依赖的人重新建立联系而短路的，从而形成了一种自我延续的孤立感循环。科学家们还没有找到治疗孤独的方法，但也许只是简单地理解负循环可以帮助长期孤独的人摆脱这种循环，并在现有的联系或新的联系中找到安慰。

我们从哪里来，又是如何到达这里的？这些永恒的问题可以通过多种方式得到解答，它们让众多生物学家开始寻找真核生物的起源——2亿年前的生命谱系，包括所有动物、植物和真菌以及许多单细胞生物。比细菌更复杂的生物。

为了寻找第一个真核生物，研究人员煞费苦心地从海底污泥中培育出稀有微生物。最近，经过六年的工作，欧洲实验室成为第二个成功 培育一种阿斯加德古菌——一群原始的单细胞生物，其基因组与真核生物的基因组有着惊人的相似之处，并且被认为是真核生物的祖先。科学家们希望，在实验室中直接研究细胞将揭示有关真核生物如何进化的新信息，并使我们更接近于了解我们的起源。

第一个真核生物的进化历程笼罩在神秘之中。今年，科学家找到了一种方法 填补800亿年的空白 在最早的真核生物的出现和当今所有真核生物的最近祖先的出现之间的分子化石记录中。此前，在寻找大约800亿至1.6亿年前生活在空白空间的真核生物信息时，科学家们无法找到他们期望的分子化石。但当一个澳大利亚团队调整他们的搜索过滤器来寻找更原始分子的化石版本时，他们发现了大量的化石。这些发现揭示了作者所说的真核生物“失落的世界”，这有助于讲述我们古代祖先的早期进化史。

过去十年的研究更好地描述了微生物组（生活在我们肠道和身体其他部位的微生物的集合）及其影响我们健康的微妙方式。今年，科学家们最详细地揭示了我们的微生物组从何而来以及它们在我们的一生中如何进化。

毫不奇怪，我们微生物组的第一批种子通常来自母亲——在出生时以及通过母乳喂养传播。今年发表的研究发现，母亲的贡献不仅是整个微生物有机体，还包括 DNA小片段 称为移动遗传元件。在生命的第一年，这些可移动的遗传元素通过一个称为水平基因转移的过程从母亲的细菌转移到婴儿的细菌。这一发现让研究人员感到惊讶，他们没想到母亲的微生物组和婴儿的微生物组之间的高度协同进化会在出生后持续这么长时间。

故事还没有结束：微生物组在我们的一生中不断进化。今年也发表了迄今为止最大规模的人类微生物组传播分析，揭示了如何 微生物组洗牌和重组 几十年来。它提供了明确的证据，表明微生物组在人与人之间传播，尤其是那些与我们相处时间最长的人，例如家庭成员、伴侣和室友。这项研究提出了一个有趣的可能性，即一些被认为是非传染性的疾病实际上可能通过肠道菌群以有时微妙的方式传播。

在日晷、手表和原子钟发明之前的亿万年里，生物体就进化出了生物工具来计时。他们需要内部生物钟来保持新陈代谢过程与昼夜周期同步，也需要类似于日历的时钟来保持他们的发育过程正常进行。今年，研究人员在理解这两者方面取得了重要进展。

过去几年，新的干细胞技术使一系列研究成为可能， 提出了新的解释 所谓的发展节奏。所有脊椎动物的生命都是从一个简单的胚胎开始的，但胚胎发育的速度及其组织成熟的时间在物种之间存在巨大差异，并决定了它们的最终形态。是什么控制着发育时钟的滴答声？今年，世界各地的实验室针对不同物种和系统进行了一系列仔细的实验​​，得出了一个共同的解释：基本的代谢过程，包括生化反应及其背后的基因表达，都决定了速度。这些代谢过程似乎从根本上是由线粒体组织的，线粒体很可能充当复杂细胞的计时器和动力源的双重角色。

虽然这些研究人员分散在世界各地，但有关生物钟的新颖工作却是在一位科学家的实验室里完成的：加州大学圣克鲁斯分校的生物化学家 Carrie Partch。帕奇不仅对时钟的基本步骤有着独特的痴迷，而且对 复杂的舞蹈 时钟蛋白在构建、相互作用和降解时发挥作用。和任何制表师一样，她不满足于知道齿轮和齿轮是什么——她还需要了解它们如何组合在一起。在她的职业生涯中，通过对单一系统的密切关注，她发现了时钟蛋白质的舞蹈，这些蛋白质代表了更广泛的真理，例如，非结构化甚至无序的蛋白质是生物过程的基础。

神经科学进步的标志之一是它不断变得更加精确。使用更牢固地扎根于合理科学的新工具，科学家们现在可以将注意力集中在定义单个脑细胞的怪癖上。今年他们 找到社交地图 蝙蝠的地图，结果被叠加在蝙蝠的物理环境地图上——海马体中相同的脑细胞编码多种环境信息。其他研究人员似乎已经解决了长达 30 年的争​​论，即大脑中的一些神经胶质细胞——历史上被认为只不过是更重要的神经元的填充物——是否可以 刺激电信号。一组神经科学家和临床研究人员在通过植入电极来改善医疗护理的癫痫患者的帮助下发现，大脑 不同的系统 用于表示小数和大数。研究人员首次在三个维度上可视化嗅觉受体如何 抓住气味分子 ——理解鼻子和大脑如何拦截空气中的化学物质并获得有关环境的重要感官信息的重要一步。