2019 年回顾：生物学年
译者荐语：这是来源于《Quanta Magazine》上 "2019 In Review" 系列的一篇文章，它对 2019 年生物科学领域的一些重大发现进行了简单总结，挺有意思，我们翻译整理了一下，分享给大家。
“看看谁知道这么多。只是碰巧你这位朋友差不多已经死了，”《公主新娘》电影版中的奇迹麦克斯说。“差不多死了(mostly dead)和全死了(all dead)有很大的区别……。大多数人死了，但还有一些人活着。” 这部电影可以为了搞笑而演绎这个悖论，因为生与死似乎就是这种不言而喻的二元状态。然而，正如 2019 年发生的事件所显示的那样，Miracle Max 发现了一些东西。
在过去的一年里，在生物科学领域里不乏惊喜，其中大多数揭示了混乱的错综复杂和异常，使我们对生活世界的理解更加复杂。生物学家除了找到了生与死之间的界限变得模糊的几种证据之外，还学到了更多关于进化如何成功地将两个或更多的细胞融合成一个细胞的知识，以及有机体在胚胎发育过程中使用数学技巧的更多信息。
基因组分析的进步帮助改写了古代人类如何在世界各地传播的部分故事(最新的版本更准确，但复杂得多)。神经科学家了解了更多有关我们看到我们想要看到的东西是多么真实的事实，以及我们在想象和记忆中导航的工具。Alexandre Tamisier for Quanta Magazine
生命、死亡和身份的新范式
今年4月，耶鲁大学 (Yale University) 的科学家们发表了一项声明，通过将一种溶液灌注到已死亡数小时的猪的孤立大脑中，他们成功地使组织恢复了良好的活力，并使神经元能够传导电信号。这是一个惊人的证明，死亡并不总是像通常所认为的那样不可逆转，但它不是唯一的死亡。近年来，研究人员发现了其他一些组织细胞的自然现象，它们似乎都在走向死亡ーー然后通过一种叫做 anastasis 的过程来扭转它们走向死亡的趋势。事实上，大量的研究表明，在生与死之间是一个中间状态的灰色地带，许多微生物在等待恶劣条件结束时会花费大量的时间。微生物学家开始发现，自然界中有很大一部分细菌——甚至可能是大多数细菌——可能随时处于休眠状态。
更广泛地说，似乎微生物种群经常表现出令人惊讶的多样化行为，以此作为一种对冲生存策略 (bet-hedging survival strategy)。 即使在基因相同的细菌中，行为和新陈代谢方面不可解释的变异也会突然出现： 例如，今年年初的一份报告显示，克隆细胞对有毒甲醛的耐受性可能完全不同。 病毒也通过多样化来提高它们的生存几率。 另一份报告指出，一些病毒甚至将它们的基因分布在多个受感染的细胞上，然后将它们的感染颗粒拼凑起来。
大脑的记忆和思维地图
为了让我们知道我们在哪里，我们的大脑有一套系统，用来编译我们周围环境的思维地图，并将我们置于其中。这些系统的里程碑式发现始于 20 世纪 60 年代，涉及数十年的研究。它在2014年获得了诺贝尔奖。这项工作的重要性随着大脑以同样的方式创建其他类型的心理地图而逐渐增加。最近的实验表明，大脑使用同样的六向“网格”系统来编码相对位置信息，以跟踪抽象概念，以跟踪诸如思想之类的抽象，并将事件序列排序为一种用于记忆的个人时间轴。今年早些时候出现的研究表明，检索事件的不同记忆的能力与大脑能以多快的速度编码连续事件的新表示有关。检索事件的不同记忆的能力与大脑对连续事件的新表征编码 (encode new representations) 的速度有关。
但是，即使是我们头脑中严格的航海地图，也带有我们的感知和欲望的印记。 3月份发表的两篇论文提出，我们的大脑会修改对地方的心理表征，以反映我们的经历和优先考虑的事情： 更多的神经系统区域被分配给对我们重要的地方，这让我们能够保留更多关于它们的细节。
大脑选择自己的感知
注意力是一个令人费解的现象。当我们的精神焦点从我们视野的一个部分转移到另一个部分，或者听一首歌里的歌手而不是音乐家，我们感知到的经验可能会发生很大变化，即使流入我们大脑的感官刺激没有改变。神经科学家之所以谈论注意力的 “spotlight” ，是因为它看起来好像我们把更多的精神资源集中在我们感知的一小部分，以便集中注意力。然而，这只是在相对意义上是正确的。正如今年的实验所帮助建立的，大脑通过过滤掉其他部分的信号，将注意力集中在一部分感觉区域中。
这一发现与许多其他研究结果一致，揭示了感知是一个积极的过程，在高级认知中心和低级感知加工中心之间存在反馈。 大脑不仅不断筛选出一些被认为与我们不太相关的刺激，而且基于我们已经经历过的事情，通过预测最有可能接下来到达的感官刺激，加快了我们的感知。 我们的感知似乎也受到经验的影响： 对具有不同文化背景的人进行的比较研究表明，声音的某些特征(如感知到的八度音调的组织)可能是我们学到的东西。 接二连三的感觉似乎对我们的大脑构成了灾难性的数据管理挑战，但是今年，科学家们表明，当大脑对信息进行编码时，它使用幂定律来有效地平衡它所保留的细节数量。
利用 DNA 重建过去
生物的基因组记录了它们的进化谱系——如果你知道如何解读它们的话。随着越来越多物种多样性的基因组序列变得可用，科学家们正雄心勃勃地通过新旧 DNA 样本进行梳理，以深入了解生命的过去。人类的 DNA，不仅来自现存的人类，还来自保存在骨骼碎片中的古人类，近来已经产生了一些惊人的发现。今年6月提交的一份分析报告进一步证明，现代人类并非仅仅在 6 万年前迁出非洲一次。相反，人口在非洲进进出出了很多次，尽管只有大约 6 万年前的大批移民在欧洲和亚洲留下了现代人类后裔。由于这些复杂的人口迁移，今天的一些人携带的尼安德特人(Neanderthal)的 DNA 比以前设想的要多一点，而尼安德特人从我们的祖先那里获得的 DNA 更多。古代丹尼索瓦人(Denisovan)的基因组显示，他们与生活在欧亚大陆的一个更古老但尚未确定身份的种群进行了杂交，这可能是更古老的直立人(Homo erectus)的遗迹。1 月份进行的另一项基因组研究还发现了与现代人类杂交的一个先前未知的种群的踪迹，该种群本身可能是尼安德特人和丹尼索瓦人的杂交体。
非人类 DNA 也提供了消失时代的迷人一瞥。在洞穴沉积物中发现的遗传物质碎片帮助研究人员重建了 8 万年前的部分生态系统。海洋微生物学家分析了美丽的短尾鱿鱼的基因组，以寻找其生物荧光器官起源的线索，这种生物荧光器官依赖于共生细菌。但是这些新见解带来的一个后果是，一些生物学家对传统的林奈生物分类学越来越不满意，因为它的组织方式与进化论的运作方式不一致。
生物复杂性起源的新线索
在进化史上，一些最重要但又极其神秘的里程碑标志着生物的复杂性急剧上升。大约 27 亿年前，复杂的真核细胞出现了，原核宿主细胞和生活在其中的共生伙伴将它们之间的关系提升到了一个更高的水平。随着内共生体变成像线粒体一样的细胞器，它们的基因必须被吸收到宿主自己的基因组中，这种变化很难被模拟为一个渐进的进化过程。但是今年，科学家们通过观察一种奇怪的三方共生关系，对解决方案有了新的认识。在这种关系中，所有的细胞伙伴都是相互依赖的。研究人员还更加关注细菌内部的功能分区结构，以了解它们是真正细胞器的先驱，还是完全独立的进化创新。
当有机体变成多细胞生物时，它们也变得更加复杂。 水母是最古老的动物种类之一，最新的研究证明，即使基因复杂性没有相应的增加，结构复杂性也会飙升。 在一个奇怪的发现中，科学家发现了多细胞生物中特化细胞类型的进化可能是建立在一个被忽视的单细胞生命暂时专门化的技巧上的证据。
对生命的数学洞察
在胚胎中，细胞似乎通过阅读自身周围浓度的“形态发生(morphogenetic)” 化学信号来了解组织的类型。但细胞如何进行这种计算的重要细节一直模糊不清，直到今年 1 月发表的一项研究揭示了这一点。一直以来，人们认为细胞的特性是逐渐确定的，而且在整个发育过程中越来越具有特异性。相反，这项新的研究表明，细胞以最佳效率对来自外部化学信号的信息进行解码，这可能意味着细胞在发育的早期就发现了自己的命运。
今年，细胞还通过许多其他方式向研究人员展示了它们的数学能力。生物学家无法准确解释细胞如何能够如此精确地控制自己的生理机能ーー这一壮举需要一种负反馈控制，工程师称之为强大的完美适应 (robust perfect adaptation)。去年夏天，研究人员展示了一种合成系统，展示了细胞是如何做到这一点的。他们对成群飞行的蠓的研究证实，这些昆虫集体表现出粘滞和阻尼作用，就像液体中的昆虫一样，这可能有助于使飞蝗群聚集在一起。其他关于分散控制的群集行为的研究得出的结论是，当个体部分不太复杂时，群体的表现最好ーー因为聪明成员的固执会使群体反应迟缓。
作者：JOHN RENNIE
编译：生信科技爱好者
原文：The Year in Biology
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