观点解读 · 生命的表示

人类理解生命的方式,可能正在限制 AI

我们选择测量什么,也在决定 AI 能看见什么。
当模型试图看得更远,实验应当怎样接住它?

AI 可以把生物通路讲得越来越清楚,但它见到的生命,可能早被人类剪裁过一次。基因、细胞类型、疾病名称,帮助我们建立知识体系。可当这些概念也成为模型的学习边界,理解生命的工具,会不会反过来限制发现?

在《Biology Beyond Human Intuition》这篇观点文章中,Morgan Levine 把问题推向了数据生成的上游:我们决定测什么、做什么实验、发表什么,模型随后学习这个被筛选过的世界。但这是一项值得检验的判断,距离“AI 已经超越人类理解”还很远。

生命观测经过选择性测量进入模型
生命观测经过选择性测量进入模型(图源:BioTender 原创,AI 生成概念示意,非实验结果)
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给细胞起了名字,剩下的信息怎么办?

给城市画地图,需要省略树木和窗户;但换成研究热岛效应,被省略的细节可能又变得重要。Levine 对生物分类的提醒也在这里:一个好用的名称,并不能自动保存对象的全部信息。细胞类型标签可以组织知识,却未必覆盖同类细胞在时间、位置和环境中的状态差异。

她担心,当研究围绕少数熟悉指标展开,我们可能把尚未被命名的差异压缩掉。但分类的成功与分类的完整,是两个不同问题。值得追问的是:我们为了读懂生命,究竟提前删掉了什么? 这个问题也有另一面:被保留的信息是否真的有用,仍需要针对任务检验。

连续状态与离散标签的概念区别
连续状态与离散标签的概念区别(图源:BioTender 原创,AI 生成概念示意;不表示所有细胞类型共享同一条轨迹)
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实验做得更整齐,模型就能走得更远吗?

Levine 把同样的担忧延伸到实验:在熟悉的细胞系、条件和读数中反复测量,有利于积累可比较的证据,但重复次数与情境覆盖,并不能相互替代。如果目标是预测一种干预在陌生环境中的效果,就该把“换个环境还能成立吗”单独列为考题。

CPJUMP1 提供了一个具体切口。2024 年发表于《Nature Methods》的资源研究,围绕 160 个基因和 303 种化合物,在 U2OS、A549 两种细胞及不同时间条件下采集数据。但这套设计没有抹掉情境,反而把情境写进了实验结构。作者还保留了成像条件变化,用来检验方法的稳健性。

CPJUMP1 在不同细胞与时间条件下的实验设计
CPJUMP1 的时间与重复设计,展示 A549 主实验区域;U2OS 与右侧次级条件未展示(图源:Chandrasekaran 等,Nature Methods,2024;原论文,CC BY 4.0,已裁切)
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论文解释了生命,也压缩了生命

一份旅行攻略能告诉你怎样走,但无法替代整座城市的现场。Levine 认为,科学文本也带有类似的压缩:实验被整理成问题、结果与解释,部分条件和不确定性不会进入最终叙述。语言模型从中获得庞大的知识,却也继承了人类选择记录什么的偏好。

这并不否定文献学习的价值。但把已有概念组织得更熟练,与找到更有预测力的表征,仍有距离。所谓表征,可以理解为模型内部保存信息的方式。沿着 Levine 的论点推下去,若某种差异没有进入观测和记录,就很难指望更流畅的推理凭空补回它。

实验信息经论文与文本进入语言模型
实验信息经论文与文本进入语言模型的选择过程(图源:BioTender 原创,AI 生成概念示意,非对信息损失比例的测量)
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先多看一点,别急着给每个变化命名

像先留下街景、再研究其中的规律,Cell Painting 会通过染色和成像保留细胞形态的多个侧面。CPJUMP1 研究报告了约 300 万张图像和约 7500 万个单细胞的图像特征。但多通道图像仍是选择性观测,无法成为细胞的完整副本。

这类观测的价值,在于不必把所有信息先压成一个“有效/无效”标签。JUMP 团队 2025 年的后续资源研究,将遗传扰动覆盖扩展到 15,243 个不同的人类基因。但这项规模更大的研究采用的是 U-2 OS 细胞,基因覆盖广,并不等于生物情境覆盖广。

Cell Painting 五通道细胞图像
经 PFI-1 处理的 U2OS 细胞五通道图像,比例尺为 100 μm(图源:Chandrasekaran 等,Nature Methods,2024;原论文,CC BY 4.0,等比缩放)
2024 · CPJUMP1
约300万
采集图像
2024 · CPJUMP1
约7500万
单细胞(已提取图像特征)
2025 · JUMP · U-2 OS
15,243
不同的人类基因

更值得注意的是,CPJUMP1 作者发现,匹配作用于同一靶点的化学和遗传扰动,仍然是一项困难任务。但这恰好提醒我们:共享一个靶点名称,未必就会出现同样的可见表型。化合物作用、基因敲除和过表达之间的关系,需要回到具体实验中辨认。

对 BioTender 而言,这支持一种审慎的编辑判断:可以让模型从更丰富的观测中学习,但不能把“信息更多”直接兑换成“理解更深”。高维数据可以打开新的窗口,窗口之外仍有生命。 是否学到了可迁移的规律,需要在新条件、新样本和干预结果中继续检验。

同靶点不同扰动的形态差异
BI-2536、PFI-1 与相关基因扰动的形态比较;相同靶点注释不保证相同表型(图源:Chandrasekaran 等,Nature Methods,2024,扩展数据;原图与完整说明,CC BY 4.0,等比缩放)
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“黑箱数据”,也得把实验交代清楚

2026 年 4 月,Luca Naef 与 Michael Bronstein 在《Chemical Science》提出“黑箱数据”框架:让数据生成更适合机器学习,在吞吐量、成本、噪声与可解释性之间重新取舍。但两位作者明确强调,黑箱描述的是读数与目标之间的解释关系,不能成为降低实验严谨性的理由。

就像相机底片需要处理才能显影,某些读数可能要经过复杂计算,才能用于目标预测。但处理能力再强,也离不开对照、准确的实验元数据和独立评测。两位作者同样主张,用精心整理的高质量数据校准、验证黑箱方法。给模型更多学习空间,验证的责任不能随之缩小。

面向人和机器的数据设计都需要质量控制
面向人和机器的数据设计,都需要质控、元数据、对照与独立验证(图源:BioTender 原创,依据 Naef 与 Bronstein 的观点绘制;AI 生成概念示意,非性能对比)
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更大的模型,先接受更难的考试

“学过很多数据”究竟意味着什么?2025 年《Genome Biology》的一项评测,把 Geneformer 和 scGPT 放在不做任务特定微调的零样本设置中,使用 5 个数据集检查细胞表征等能力。但两者的受测配置并未稳定优于高变基因选择、Harmony 和 scVI 等基线。

这个结果不能被改写成“基础模型无效”。但比较条件必须说清:Harmony、scVI 使用了目标数据进行拟合,部分评测数据也与预训练集重叠。论文评估的是历史版本、特定任务和配置,并未覆盖所有模型,更没有直接证明未来的表征学习走不通。

单细胞零样本评测的模型、数据与任务
单细胞零样本评测的模型、数据与任务设置(图源:Kedzierska 等,Genome Biology,2025;原论文,CC BY 4.0,裁取评测设计面板)

这项研究还留下一层值得追问的张力:细胞类型分离指标,要借助已有标签判断模型是否保留生物差异。但如果我们寻找的恰好是标签之外的状态,仅靠这一把尺子,也难以裁决全部价值。这是对评测范围的提醒,不能拿来替表现不佳的模型开脱。

因此,沿着本文的判断,考试还应继续向前:换供体、换条件、换细胞情境,再用干预实验检查预测。但新指标也必须有可靠依据,不能因为旧标签不完整,就跳过可重复的检验。允许模型提出陌生的表示,也要允许实验明确地否定它。

单细胞表征分离与批次整合的原始评测结果
细胞类型分离与批次整合结果,不同方法在不同数据集上的表现并不一致,虚线为各方法跨数据集的中位数(图源:Kedzierska 等,Genome Biology,2025;原图与完整说明,CC BY 4.0,裁取并并列原图 B、E 面板,未改动数据)

如果 Levine 的提醒成立,下一步的投入就该同时审视模型和观测:哪些原始读数值得保留,哪些实验情境长期缺席,哪些失败结果应该被记录?但任何取舍都需要面对成本和用途,保留一切同样不现实。机器能否帮助我们重新安排这些取舍,才是更具体的问题。

我们仍不知道,怎样的表征足以支撑跨尺度、跨情境的生命预测。但可以先要求每一次“看见更多”的承诺,交出一个能被实验检验的新预测。当模型给出的表示无法对应熟悉的通路和标签时,我们愿意为它设计下一场实验吗?

从丰富观测到干预验证的研究闭环
丰富观测、表征学习、跨情境预测与干预验证的研究闭环(图源:BioTender 原创,AI 生成流程建议,不代表已实现的通用生物系统)