盤點《Nature》2020 十大研究:南極臭氧層破洞可被修復、愛滋病毒能被消滅

【我們為什麼挑選這篇文章】到了年末,許多企業會盤點一整年的使用者數據,分析年度市場趨勢,提出產業洞見,科學界當然也不易外,作為全球指標性的科學期刊 ,《Nature》也評選出「2020 年度 10 項最重大發現」,看看有哪些讓你跌破眼鏡的研究。(責任編輯:賴佩萱)

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作者:量子位

這是 Nature 評選出來的「2020 年度 10 項最重大發現」:壓力使人白頭、果蠅為何挑食、史前精英亂倫……

就這?我不信。

細看研究後才發現,這些評選出來的科學成果並不如想像中那麼簡單。

1. 來自宇宙深處的訊號——「快速射電暴」

時下最受關注,但尚未得到解釋的新現象,當屬「快速射電暴」了。幾十億光年外的某種光源,在毫秒級別的瞬間,發出超過整個星系的光源。

遙遠、短暫、明亮,這就是「快速射電暴」的代名詞。

這一個來自宇宙深處的「閃電般」訊號,2007 年第一次發現,直至最近才逐漸被大量發現,而探索它的來源成為天文界的目標之一。

來自加拿大 CHIME 望遠鏡、加州理工學院歐文斯谷射電天文台,以及中國「天眼」團隊,同期發表在 Nature。

中國的這項研究,第一作者為北京師範大學林琳講師,觀測結果來自中國的射電望遠鏡(FAST)。她本科畢業於南京大學天文系,隨後在清華大學、中科院天文台攻讀碩博學位。

三項觀測研究證實, 極強磁場中子星(磁星)是快速射電暴的來源之一

詳細報導: 長達 13 年的天文謎團有解!科學家偵測到銀河系內首個「快速電波爆發」,肇事者是一顆磁星

這是天文學家第一次觀測到位於銀河系內的快速射電暴,也是目前唯一被觀測驗證的可以產生快速射電暴的天體。

2. 壓力會讓頭髮變白

日常生活裡有一個經驗常識,那就是「壓力使人白頭」,但一直都未曾有過科學證實。

來自哈佛大學許雅捷團隊,就首次揭示了「壓力引起白髮」這一機制是如何發生的,第一作者是張兵博士。

還被 Nature 評為年度最受歡迎的線上話題研究。

嗯,果然最接地氣的,最受關注。

許雅捷團隊主要針對的是戰鬥、逃避這兩種狀態下的壓力情況。結果發現,在這兩種情況中,壓力激活了交感神經(用來精細調節器官),這會對毛囊中的色素再生幹細胞造成永久性損害。

具體實現路徑是,交感神經延伸到皮膚上的每個毛囊中,壓力會使神經釋放出去甲腎上腺素。這種物質會被附近的色素再生幹細胞吸收,導致這些幹細胞被過度激活,提前轉化為色素產生細胞,過早地耗盡了這種幹細胞儲存庫。

研究人員發現,幾天之後,所有的色素再生幹細胞都會因此消失,將無法再生色素,這種損傷是永久性的。

3. 宇宙物質起源的證據被發現了

宇宙誕生於一次大爆炸,但大爆炸之後,究竟發生了什麼?例如,科學家發現物理規律是對稱的,因此大爆炸產生的正物質和反物質應該一樣多。

但只要正物質撞上反物質,就會「灰飛煙滅」,如果正反物質一樣多,宇宙就不會有質子電子,不會有原子,更不會有生命誕生。

是什麼打破了宇宙對稱性?

今年 4 月的這項研究,找到了打破這種對稱性的粒子中微子,這是一種不帶電的中性粒子,比中子更輕,有著 3 種「味道」:電子中微子、 μ 子中微子、τ 子中微子。

在它身上,科學家發現了正物質擊敗反物質的原因之一。

科學家們第一次發現,中微子存在 CP 對稱性破壞的現象,也就是說,中微子和它的反粒子振盪頻率不一樣。在 300 公里的行程中,中微子改變「味道」的可能性更高,而反中微子的這一概率則相應地低於預期。

這實際上暗示了,更大的不對稱性正在早期的宇宙中發揮作用,而宇宙終極的不對稱性,可能就藏在中微子的不對稱中。

這是來自日本、美國、俄羅斯等 12 個國家的科學家們組成的 T2K 團隊,耗時 10 年觀察得到的結果。

4. 冷凍電鏡達到原子分辨率

光看這幾個字,就聽到了生物學新版教材印刷的聲音。

冷凍電鏡,又稱低溫電子顯微鏡,因為其高分辨率的特徵,是用於結構生物學中繪製蛋白質 3D 形狀圖譜的主導工具之一(其餘常用的兩種:核磁共振光譜、X 射線)。

它可以用來觀察沒有被染色或固定的標本。

今年 10 月,Nature 同期發表的兩項研究,刷新了冷凍電鏡分辨率記錄—— 1.2 埃,1 埃相當於 0.1 奈米,達到了單個原子水平。

其中一個團隊表示,他們可以分辨出蛋白質和周圍水分子中的單個氫原子。如果在對這個技術改進,或許可以達到 1 埃。

這一里程碑式的突破,也被 Nature 稱之為「打開全新宇宙」,有助於研究人員了解蛋白質的生理和病理機制,並有助於開發出副作用更少、效果更好的藥物。

5. 激活並殺死愛滋病毒

在印象中,愛滋病無法被完全治療。這是因為,HIV 會「潛伏」在人體一種特殊的 T 淋巴細胞(靜息 CD4+T 細胞)內,平時不表達。

就連最新的抗逆轉錄病毒療法(ART)也拿愛滋病毒沒轍。

今年 1 月,來自美國埃默里大學的科學家們,就想出了新辦法:先激活潛伏在免疫細胞裡的病毒,再將它消滅。利用這種原理,研究人員用兩種方法,成功激活了恒河猴體內的猴免疫缺陷病毒,以及人源化小鼠體內的 HIV 病毒。

第一種方法,將藥物 AZD5582 與抗逆轉錄病毒療法進行結合,成功激活了 12 隻感染 HIV 或 SIV 猴子的 T 淋巴細胞中的病毒,使得這兩種病毒的 RNA 在血液和組織中表達。人源化小鼠體內所有組織中的 HIV,同樣被強烈誘導。

第二種方法,則是採用抗逆轉錄病毒療法結合 N-803 藥物的方法。這種藥物可以激活免疫響應必不可少的訊號分子白介素-15,同時能清除抑制病毒轉錄的 CD8+淋巴細胞,引起體內病毒的持續活化。

這項研究表明,逆轉潛伏方法與適當藥物相結合,可以極大地增加根除 HIV 的機會。

6. 為維繫血統,史前菁英也亂倫

精英亂倫實錘!這次是墓地裡發現的。

今年 6 月,來自愛爾蘭都柏林聖三一大學的 Cassidy 等研究人員,在愛爾蘭的紐格萊奇墓發現了一位男性的 DNA,這一 DNA 顯示,他是因亂倫誕生的。

這座陵墓距今已有 5000 年的歷史,在建築設計時,工程師採用了複雜的技術,確保位於狹長石板通道盡頭的墓室,能在每年冬至前後的日出時分被照亮幾分鐘。

在當時,建造這種陵墓要耗費不少人力,因此,研究者們認為,這是給一位史前的權貴菁英建造的,這位權貴可能藉著能「控制」太陽的運動,向眾人宣稱自己擁有神力。

然而在對取自人體遺骸的古 DNA 進行分析後,研究人員發現,葬於陵墓中的這位男性,是一級親屬亂倫的後代。也就是說,他的父母要麼是親兄弟姐妹,要麼是母子或父女。

研究人員推測,這座宏偉古墓裡的權貴曾經把亂倫當做維繫王室血統的方式。

當然,這份報告並不僅於此。

此外,報告還涉及了一些其他重要發現,如愛爾蘭石器時代人群的孤立性、新石器時代農耕群體的遷入,及農業人口與漁獵愛爾蘭原住民之間的關係等,並根據碳同位素,獲取了有關史前人類的飲食訊息。

7. 干擾素缺乏引發新冠重症

跟以往 Nature 評選不同的是,今年不意外的,多了一個命題——新冠肺炎。

這也是此次評選中唯一一項發表在 Science 上的研究。

來自美國、法國的研究人員發現,I 型乾擾素(IFN)缺失在重症 COVID-19 患者中扮演的重要角色。

干擾素,是動物細胞受到病毒感染後分泌的特異性糖蛋白,它具有抗病毒、抑制細胞增殖、調節免疫系統和抗腫瘤的作用。

因此, 干擾素缺乏最直接的結果,就是會讓病毒不受控制的複制和擴 。那麼,對免疫系統會產生其他什麼影響呢?

這兩篇研究就進行了解答,他們分別從兩個角度報導了 I 型乾擾素缺失對新冠肺炎重症患者的影響。

一是,至少 3.5% 重症患者存在與 I 型乾擾素相關的常染色體遺傳的基因位點突變。

二是,至少 10% 重症患者體內存在針對 I 型乾擾素自身中和性抗體。

這一發現為患者的篩查、治療干預提供了一種方向。

8. CRISPR 揭秘果蠅挑食行為

世界上有兩種果蠅,一種是不挑食的果蠅,另一種是挑食的果蠅。

遺傳學家喜歡的黑腹果蠅,就幾乎啥都吃。而它的近親 Sechellia,那是相當挑食,僅以有毒的諾麗果為食。

於是,來自瑞士洛桑大學的研究人員,就利用今年獲諾獎的技術—— CRISPR-Cas9 基因編輯,來研究果蠅的挑食行為。結果發現,有一種氣味受體蛋白 Or22a 在挑食果蠅的感覺神經元表達比不挑食果蠅更豐富,從而導致果蠅的挑食行為。

只需稍稍改動 Or22a 的氨基酸序列,就造成了果蠅對諾麗果的「偏愛」。

這為我們了解大腦如何塑造個體行為差異提供了方向。

9. 南極上空臭氧層破洞有望完全癒合

80 年代,人們發現,因過度使用氟利昂等氯氟烴類製冷劑(冰箱、空調用的),導致南極上空的臭氧層出現了一個空洞。

臭氧層主要作用是吸收紫外線,其缺失除了導致紫外線抵達地面的量增加,還帶來了南半球大氣的變化,包括世界各地天氣的劇烈改變。

例如,臭氧層空洞導致南半球大氣層中高速氣流南移,這會帶走大量雨水,導致地區乾旱。

因此,聯合國於 1987 年簽署了《蒙特利爾議定書》,逐步禁用氯氟烴。

今年 3 月,由 Antara Banerjee 領導的、來自 NOAA 的團隊,利用各種模型模擬的結果表明,南半球高速氣流已經暫時停止南移,甚至略有逆轉,這確實是臭氧層恢復導致的。

Banerjee 等人指出,這種高速氣流移動的趨勢改變,是《蒙特利爾議定書》帶來的影響,如果這一現象持續下去,臭氧層空洞到本世紀中葉將有機會完全癒合。

10. 用 AI 和衛星進行「全球樹木普查」

來自丹麥哥本哈根大學和 NASA 的 Brandt 等人組成的研究團隊,利用衛星圖像分析精確定位了一大片西非土地上的每個樹冠。

下一步,也許就是「全球樹木普查」了。

這當中的意義,自然不必言明。我們對陸地生態系統的定義,很大程度上取決於在上面生長的木本植物,如果能掌握這些植被結構的訊息,人類才能更好地了解全球生態、生物地理環境。

當前,大部分衛星數據的空間分辨率欠佳。

一張圖像像素對應的土地面積最小也是 100m²,這樣就讓研究人員要多幹很多活兒。比如在觀測的同時,還要測量綜合性質,像樹冠覆蓋度,這是從頂部往下看,被樹冠遮蓋的景觀比例。

為此,研究人員要分析超過 1.1 萬張分辨率為 0.5 米級別的圖像,然而手動完成這件事情,顯然不現實。

因此,這個團隊借助人工智慧完成了這項工作。基於樹木的特徵,讓 AI 在更大的圖像中識別它們,訓練數據同樣採用衛星圖像。

研究人員最終得到了整個毛里塔尼亞南部、塞內加爾、馬斯里南部地區所有直徑大於兩米的樹木地圖,清晰展示了將來在亞米級尺度上繪製全球樹冠地圖的潛力。

10 大發現傳送門:《Nature

(本文經 量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈挑食、亂倫、用 AI 認樹……這是今年 Nature 欽點的十大研究 〉;首圖來源:pinterest。)

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