Nature 2020年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)解讀

《中國科學(xué)基金》2021年第35卷第2期封面

Nature 2020年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)解讀

【編者按】 2020年12月14日，Nature公布了其評選出的2020年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中包括：冷凍電鏡突破、壓力導(dǎo)致白發(fā)的原因、南級臭氧法逐漸恢復(fù)、銀河系中的快速射電暴等。這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，有2篇論文發(fā)表于Science雜志，其余12篇均發(fā)表在Nature雜志上。為了讓廣大讀者更深入地了解這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重大意義，《中國科學(xué)基金》編輯部特邀相關(guān)領(lǐng)域的知名專家對其進(jìn)行深入解讀，以更廣泛、有效地向社會公眾傳播科學(xué)發(fā)展前沿與最新進(jìn)展，給我國廣大科技工作者以更多啟迪與借鑒。

1 打破物質(zhì)—反物質(zhì)鏡像對稱性

T2K合作組報(bào)告，他們可能發(fā)現(xiàn)了輕子違反“粒子—反粒子鏡像對稱性”（也稱為CP對稱性）。輕子CP破壞可以通過中微子來尋找。中微子共有三種“味道”，由它們所對應(yīng)的帶電輕子（電子、繆子、陶子）決定。它們能在飛行中從一種味道變?yōu)榱硪环N。如果CP對稱性守恒，從繆子中微子到電子中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率，將與從繆子反中微子到電子反中微子轉(zhuǎn)換的概率相同。在T2K實(shí)驗(yàn)中，中微子（或反中微子）穿過地球，飛行295公里，然后被日本神岡實(shí)驗(yàn)室的地下探測器探測到。實(shí)驗(yàn)測量了繆子中微子到電子中微子轉(zhuǎn)換及其反中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率，結(jié)果在95％的置信水平下排除了CP守恒。這可能是我們第一次發(fā)現(xiàn)宇宙中物質(zhì)—反物質(zhì)不對稱性起源的跡象。

日本超級神岡探測器（T2K實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)點(diǎn)探測器）

（圖片來源：神岡實(shí)驗(yàn)室/東京大學(xué)宇宙線研究所）

專家點(diǎn)評：

曹 俊 中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、副所長。從事中微子實(shí)驗(yàn)物理及探測技術(shù)研究。自2003年起參加大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，先后負(fù)責(zé)物理、軟件和中心探測器，領(lǐng)導(dǎo)物理分析發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩，現(xiàn)任大亞灣合作組共同發(fā)言人。江門中微子實(shí)驗(yàn)的提出者之一，任合作組副發(fā)言人。獲國家自然科學(xué)一等獎等獎項(xiàng)。

宇宙起源于138億年前的一次大爆炸。關(guān)于宇宙起源和演化，迄今我們有許多堅(jiān)實(shí)的證據(jù)和結(jié)論，但同時也有很多未解之謎，其中一個就是“物質(zhì)反物質(zhì)不對稱性”，或者稱為“反物質(zhì)消失之謎”。

在宇宙誕生的極早期，能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，根據(jù)粒子物理理論，正、反物質(zhì)粒子應(yīng)該成對產(chǎn)生，是一樣多的。但我們現(xiàn)在的宇宙中，跟正物質(zhì)相比，反物質(zhì)幾乎可以忽略不計(jì)。一般相信，在宇宙誕生后約10-12次方秒發(fā)生了什么，導(dǎo)致了宇宙正反物質(zhì)的不對稱。1967年，前蘇聯(lián)“氫彈之父”薩哈洛夫（A.Sakharov）提出了形成宇宙正反物質(zhì)不對稱的三個條件：存在重子數(shù)不守恒過程、電荷對稱性和電荷—宇稱（CP）對稱性破壞、偏離熱平衡。這三個條件原則上在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中都可以得到滿足，但具體發(fā)生機(jī)制還不清楚。

絕大多數(shù)粒子物理過程是CP對稱性守恒的。在存在三代夸克的情況下，會出現(xiàn)CP不守恒的情況（2008年諾貝爾物理學(xué)獎）。美國和日本因此建造了Babar和Belle實(shí)驗(yàn)裝置，測量了夸克中的CP不守恒情況。CP破壞效應(yīng)的大小跟三個混合角以及CP相角都有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)夸克的三個混合角都非常小，因此，總的CP破壞效應(yīng)也很小，跟解釋宇宙正反物質(zhì)不對稱性所需要的效應(yīng)相比，小了一百萬倍。二十年前發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩現(xiàn)象（2015年諾貝爾物理學(xué)獎）帶來了新的希望。中微子振蕩也會帶來CP不守恒，日本超級神岡實(shí)驗(yàn)、加拿大薩德伯里實(shí)驗(yàn)、中國大亞灣實(shí)驗(yàn)分別測出了中微子的三個混合角，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夸克中的混合角。這樣，假如中微子的CP相角也很大，就可以產(chǎn)生大的正反物質(zhì)不對稱性，這個機(jī)制被稱為輕子生成機(jī)制，是目前看來最自然的解釋宇宙反物質(zhì)消失之謎的機(jī)制。

T2K實(shí)驗(yàn)利用日本散裂中子源的加速器產(chǎn)生繆中微子束流，射向295公里外重達(dá)5萬噸的超級神岡中微子探測器。在飛行過程中，有一小部分繆中微子會自發(fā)地轉(zhuǎn)變成電子中微子，即中微子振蕩。改變束流上聚焦磁鐵的電流方向，可以分別產(chǎn)生中微子或者反中微子束流。如果CP破壞不為零，正、反中微子的振蕩幾率將不同，這樣可以直接觀測到中微子振蕩引起的正反物質(zhì)不對稱性。

2011年，剛投入運(yùn)行的T2K實(shí)驗(yàn)首次觀測到了繆中微子轉(zhuǎn)化為電子中微子的跡象，說明中微子混合角θ13可能很大。但不幸的是，當(dāng)年日本“3·11”大地震損壞了它的加速器，無法得到確定的結(jié)果。次年3月，中國大亞灣實(shí)驗(yàn)率先發(fā)現(xiàn)了跟θ13關(guān)聯(lián)的第3種中微子振蕩模式。2014年，T2K的數(shù)據(jù)量達(dá)到了2011年的4.6倍，也得到了θ13不為零的確定性結(jié)果。更有意思的是，T2K與大亞灣測量中微子振蕩的物理原理和方法都不相同，跟反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)（主要是大亞灣）測得的精確的θ13值結(jié)合后，T2K在同一篇論文中首次表現(xiàn)出了對CP破壞的探測潛力。其后幾年，T2K數(shù)次發(fā)表CP破壞的測量結(jié)果。2020年，T2K在Nature上發(fā)表結(jié)果，采用的數(shù)據(jù)量達(dá)到了2011年的20倍，其中一半是中微子數(shù)據(jù)，一半是反中微子數(shù)據(jù)。通過比較正、反中微子振蕩，得到在95％的置信水平下CP不守恒，且傾向于CP相角很大。這可能是我們第一次發(fā)現(xiàn)宇宙中正、反物質(zhì)不對稱性起源的跡象。

T2K實(shí)驗(yàn)計(jì)劃運(yùn)行到2026年，其數(shù)據(jù)量還將加倍，如果幸運(yùn)的話，也許能得到CP不守恒的關(guān)鍵證據(jù)（即達(dá)到99.7%的置信水平）。

不過，更可靠、更精確的測量需要下一代中微子實(shí)驗(yàn)。正在建設(shè)中的下一代中微子實(shí)驗(yàn)有中國的江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO），美國的沙丘實(shí)驗(yàn)（DUNE）和日本的頂級神岡實(shí)驗(yàn)（Hyper-K）。江門中微子實(shí)驗(yàn)將利用從大亞灣實(shí)驗(yàn)積累的技術(shù)優(yōu)勢，主要采用反應(yīng)堆中微子，主要目標(biāo)是測量中微子質(zhì)量順序和精確測量三個振蕩參數(shù)，不能測量CP破壞。加速器中微子實(shí)驗(yàn)DUNE和頂級神岡可以比較正、反中微子振蕩的差異，從而測量CP破壞。在未來20年，我們應(yīng)該能確定中微子CP破壞的大小，向理解宇宙起源跨出堅(jiān)實(shí)的一步。

2 南極臭氧層逐漸恢復(fù)

20世紀(jì)80年代中期，科學(xué)家在南極上空發(fā)現(xiàn)了春季大氣臭氧層空洞，這揭示了人類制造的臭氧消耗物質(zhì)（ODSs）對大氣層的威脅。位于海拔10到20公里處的南極臭氧層空洞還會影響南半球大氣環(huán)流，進(jìn)而影響地表的氣候。最明顯的一個影響是，夏季的高速氣流開始向極地移動。高速氣流是行星尺度的大氣環(huán)流現(xiàn)象，地球上有數(shù)條環(huán)繞的高速氣流帶。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨后的修正案禁止了臭氧消耗物質(zhì)的生產(chǎn)和使用。因此，大氣中臭氧消耗物質(zhì)濃度正在下降，臭氧層已經(jīng)出現(xiàn)初步的恢復(fù)跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢復(fù)以來，空洞相關(guān)的環(huán)流效應(yīng)已經(jīng)停止。以前曾有人注意到這種環(huán)流效應(yīng)停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因于《蒙特利爾議定書》的影響。

（a） 南極Halley站觀測的臭氧柱總量時間變化序列

（b） 2010年9月10日的南極臭氧柱總量空間分布圖

（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

田文壽 蘭州大學(xué)教授，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事平流層大氣化學(xué)與氣候相互作用以及平流層—對流層相互作用方面的研究，發(fā)表各類期刊論文120余篇。

20世紀(jì)70年代，Paul Crutzen、Mario Molina和Sherwood Rowland等人提出氮氧化物和人類排放的氯氟烴（CFCs）化合物會破壞臭氧層。1985年，英國科學(xué)家首次觀測到了南極臭氧空洞，引發(fā)了廣泛的社會關(guān)注，隨后世界各國政府于1987年簽署《蒙特利爾議定書》，對近100種能引起臭氧損耗的人造化學(xué)品的生產(chǎn)和消費(fèi)做出了全球性的限制。目前南極臭氧總量已不再持續(xù)下降并開始緩慢恢復(fù)，而臭氧長期損耗引起的氣候變化也在近年來出現(xiàn)了明顯“停滯”，這是人類保護(hù)地球環(huán)境、積極干預(yù)氣候變化的一個成功范例。為了表彰Paul Crutzen、Mario Molina和Sherwood Rowland的杰出貢獻(xiàn)，他們于1995年被授予諾貝爾化學(xué)獎。

自從南極臭氧空洞被發(fā)現(xiàn)以來，大量學(xué)者研究了南極平流層臭氧損耗對對流層天氣氣候的潛在影響。南極臭氧損耗通過輻射冷卻使得南極平流層極渦變冷變強(qiáng)，并通過平流層對流層耦合延伸到對流層，造成了自1980年以來南半球環(huán)狀模的正趨勢，進(jìn)而對南半球高緯度乃至中低緯度地區(qū)的天氣氣候都產(chǎn)生了廣泛的影響。在高緯度地區(qū)，南極臭氧損耗引起了南極大陸溫度和降水的顯著異常。在中低緯度地區(qū)，南極臭氧損耗造成哈德來環(huán)流圈展寬，南半球的副熱帶急流、雨帶及干旱帶向南極方向移動。觀測和模式模擬均表明，南半球副熱帶急流的向極移動與副熱帶的變濕密切相關(guān)。此外，南極平流層臭氧損耗甚至?xí)绊懩习肭蚝Ｑ蟓h(huán)流和海冰的變化。

近年來的研究表明，由于《蒙特利爾議定書》的實(shí)施，南極平流層臭氧自21世紀(jì)以來不再持續(xù)下降且開始緩慢恢復(fù)。2020年，Banerjee等人首次發(fā)現(xiàn)，南極平流層臭氧長期損耗導(dǎo)致的南半球氣候變化趨勢出現(xiàn)了“停滯”，甚至有微弱的“反轉(zhuǎn)”趨勢。Banerjee等人的研究結(jié)果提供了一個非常明確的信號，即人類可以通過國際合作積極影響地球氣候。《蒙特利爾協(xié)定書》的實(shí)施使得與臭氧損耗有關(guān)的氣候變化速率放緩，這是國際社會應(yīng)對全球環(huán)境變化挑戰(zhàn)的成功經(jīng)驗(yàn)。這一研究結(jié)果也啟示我們，限制危險化學(xué)物質(zhì)的排放和改變商業(yè)慣例是減輕人類活動影響全球氣候的有效方法之一。從這個意義上講，這一研究成果入選Nature 2020年“十大科學(xué)突破”并不意外。此外，Banerjee等人的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步為平流層的變化會影響到對流層的氣候提供了非常重要的證據(jù)。

國內(nèi)早期的研究曾利用衛(wèi)星和臺站觀測的南極臭氧資料分析了南極地區(qū)尤其是中國中山站的臭氧變化特征，并評估了平流層氯、溴等鹵化物和平流層溫度對南極臭氧空洞的影響，這些研究揭開了國內(nèi)學(xué)者對南極臭氧的研究序幕。1998年，中國科學(xué)院大氣物理研究所開展了關(guān)于南極臭氧空洞氣候效應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)，指出南極平流層臭氧損耗不僅會影響南半球氣候，也會影響到北半球,使全球氣候產(chǎn)生明顯變化。近些年，隨著氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展和平流層大氣研究逐步受到重視，越來越多的國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注平流層臭氧變化及其氣候效應(yīng)。我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)自21世紀(jì)初以來春季南極平流層開始出現(xiàn)顯著的變暖趨勢，這正是由于臭氧恢復(fù)造成的。此外，國內(nèi)學(xué)者近些年還針對北極平流層臭氧的氣候效應(yīng)做了大量研究，指出北極平流層臭氧變化可以通過化學(xué)輻射動力耦合顯著影響北半球的大氣環(huán)流和降水。盡管國內(nèi)學(xué)者在極地平流層臭氧變化及其氣候效應(yīng)方面取得了很多進(jìn)展，但是相比國際上的同領(lǐng)域的相關(guān)研究，國內(nèi)在這個領(lǐng)域研究的引領(lǐng)性和前瞻性還需要不斷提升。

《蒙特利爾議定書》實(shí)施所帶來的南極平流層臭氧恢復(fù)及其引起的氣候變化只是剛剛開始出現(xiàn)在觀測證據(jù)中。隨著臭氧損耗物質(zhì)的減少和大氣中溫室氣體濃度的增加，Banerjee等人發(fā)現(xiàn)的南半球氣候變化趨勢“停滯”現(xiàn)象以后是否還會持續(xù)？臭氧恢復(fù)所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)是否與臭氧損耗導(dǎo)致的氣候變化可逆對等？這些問題非常值得我們關(guān)注。

3 考古學(xué)與基因組學(xué)交叉，推動認(rèn)知人類社會發(fā)展進(jìn)程

愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的Cassidy等人研究了農(nóng)耕社會的社會結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了被埋葬在石隧墓（歐洲的一種通道式巨石墓葬建筑）中的古代貴族。紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由復(fù)雜的工程技術(shù)建造而成，墓室在一條很長的石砌通道的盡頭。在陵墓入口上方有一個像窗一樣的開口，在一年中白天最短的那天（冬至），這個開口可以讓陽光照進(jìn)墓室。研究人員對墓中發(fā)現(xiàn)的古代人類遺骸進(jìn)行了DNA分析，揭示了一場罕見且出人意料的亂倫事件。大約5 000年前埋葬在紐格蘭奇墓室的一名男子是一樁亂倫婚姻的后代：他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母與子女。這一發(fā)現(xiàn)讓研究小組推測，與這座宏偉陵墓有關(guān)的貴族們可能是通過亂倫來維持其血統(tǒng)。

愛爾蘭紐格萊奇墓（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

葉 凱 西安交通大學(xué)電信學(xué)部自動化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事基因組結(jié)構(gòu)變異檢測、表征和功能研究。開發(fā)了Pindel、MSIsensor-pro等系列變異檢測軟件，揭示結(jié)構(gòu)變異驅(qū)動腫瘤發(fā)生發(fā)展和物種新性狀演化的規(guī)律。以通訊作者在Science、Nature Communications、Genome Research等刊物發(fā)表研究論文。

從古至今，人類從未放棄過對自身的研究。每個時期，全球不同地域總會因時代特性表現(xiàn)出不同的社會性，其社會階層的格局形成到演化規(guī)律總是人類的研究熱點(diǎn)。由于人類社會發(fā)展早期缺少長期保存文字或圖像的技術(shù)，所以考古專家通常使用特定的考古學(xué)手段了解、挖掘早期社會形成、形態(tài)發(fā)展、歷史軌跡及社會特點(diǎn)。2020年，考古學(xué)家聯(lián)合基因組學(xué)專家采用全基因組測序方法對歐洲新石器時代政治權(quán)力分布和傳承有了更加清晰的認(rèn)知。他們使用基因組測序技術(shù)解析了愛爾蘭紐格萊奇墓中的44具遺骸，發(fā)現(xiàn)埋葬于5 000年前的一個男子是一級亂倫所產(chǎn)生的后代，即他的父母要么是親兄妹，要么是母子或者父女。研究人員也在150公里外的墓穴中發(fā)現(xiàn)該男子的親屬，揭示在新石器時代海洋性大規(guī)模殖民取代中石器時代小規(guī)模分散部落的過程中，統(tǒng)治階層精英出現(xiàn)，并采用世襲制保持特定家族長期統(tǒng)治。在人類社會尚沒有發(fā)展出來更加高級的制度以動態(tài)調(diào)整統(tǒng)治階層的早期階段，在極少數(shù)統(tǒng)治家庭內(nèi)部，通過亂倫生育血統(tǒng)純正的后代，能穩(wěn)固階層并將權(quán)利統(tǒng)治合法化。該研究創(chuàng)新性的采用基因組測序技術(shù)，分析比較歐洲各地新石器時代基因型和飲食結(jié)構(gòu)，揭示人類社會早期統(tǒng)治階層形成的證據(jù)，被Nature選為2020年“十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。該研究除了對人類社會認(rèn)知意義重大，文章中所展現(xiàn)的多學(xué)科交叉聯(lián)合攻關(guān)，從數(shù)據(jù)中進(jìn)行創(chuàng)新性解讀的研究思路對當(dāng)今大數(shù)據(jù)當(dāng)?shù)赖目蒲协h(huán)境下十分具有啟發(fā)性。

該研究通過基因組學(xué)來突破對人類社會認(rèn)知，或許可以稱為社會認(rèn)知基因組學(xué)，預(yù)計(jì)未來會從以下幾個方向深入探索：（1）多地域聯(lián)合分析。在全球范圍組成國際聯(lián)盟，分析比較同一時期不同地區(qū)人類社會演化歷程，將同時期各個地區(qū)動植物特征也納入整合分析，揭示環(huán)境、人類、社會三者在特定地區(qū)相互影響的規(guī)律。由于歐洲考古研究發(fā)達(dá)，本論文結(jié)合前沿基因組測序技術(shù)，首次揭示人類社會早期特征，而在全球其它地區(qū)，尤其是同為世界文明發(fā)源地的亞洲地區(qū)數(shù)據(jù)非常有限，阻礙了我們認(rèn)知人類社會在全球范圍內(nèi)的演化進(jìn)程。（2）多時間點(diǎn)比較分析。未來研究人員將更加精細(xì)化確定各個樣本年代，更加細(xì)致地縱向比較同一個地區(qū)，但是處于不同年代的環(huán)境、人類、社會特征，揭示人類社會形態(tài)前后更迭的規(guī)律。（3）關(guān)聯(lián)多地域和多時間點(diǎn)分析。將全球人類社會作為一個動態(tài)發(fā)展的整體研究其演化，揭示人類遷徙過程中的基因流、伴隨人類遷徙或者貿(mào)易的動植物基因流、宗教和組織形態(tài)的社會“基因”流三者之間時空關(guān)系。

我國考古領(lǐng)域因數(shù)千年歷史文明發(fā)展有著極大優(yōu)勢，基因組領(lǐng)域研究亦十分活躍，但這二者之間卻缺乏交叉融合，故類似于本論文的原創(chuàng)性研究缺乏合適土壤。試究其因，考古學(xué)家想要更加詳實(shí)的考古證據(jù)，要借助基因組研究專家對相關(guān)原始基因?qū)用鏀?shù)據(jù)的分析結(jié)果支持，基因組專家的分析結(jié)果也需要考古學(xué)家的專業(yè)知識來賦予科學(xué)價值或現(xiàn)實(shí)意義。而現(xiàn)實(shí)問題在于，在當(dāng)前知識大爆炸的時代，我國任何領(lǐng)域大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者和擁有者，往往是一個領(lǐng)域的頂尖專家，非精通各個領(lǐng)域的通才；可能發(fā)掘數(shù)據(jù)最大價值的研究人員往往無法獲取該數(shù)據(jù)，甚至根本不知道該數(shù)據(jù)的存在。如何在當(dāng)今全球科技競爭日益激烈、多學(xué)科交叉優(yōu)勢顯著的形勢下，激發(fā)我國學(xué)者以前沿問題為導(dǎo)向，組織多學(xué)科交叉攻堅(jiān)小組，產(chǎn)生數(shù)據(jù)并深度解讀數(shù)據(jù)，這是我國科研管理部門和各學(xué)科學(xué)者需要共同思考的問題。

4 利用衛(wèi)星繪制樹木地圖

Brandt等人的論文報(bào)道了他們對覆蓋西非西撒哈拉和薩赫勒地區(qū)超過130多萬平方公里的高分辨率衛(wèi)星圖像的分析結(jié)果，他們繪制了大約18億棵樹木的位置和大小。在此之前，科學(xué)家還從未在如此大的區(qū)域內(nèi)繪制出如此精細(xì)的樹木地圖。商業(yè)衛(wèi)星已經(jīng)開始收集數(shù)據(jù)，能夠捕捉到大小在1平方米或以下的地面物體。陸地遙感領(lǐng)域因此即將迎來根本性的飛躍：從側(cè)重于綜合景觀尺度的測量，到有可能在大范圍或全球尺度上繪制每棵樹的位置和樹冠大小。這一進(jìn)展無疑也將根本性地改變我們思考、監(jiān)測、模擬和管理全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式。

專家點(diǎn)評：

黃華國 北京林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，林業(yè)定量遙感團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人，北京林業(yè)大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處副處長。長期從事林業(yè)遙感基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究，自主研發(fā)國際領(lǐng)先的三維遙感機(jī)理模型RAPID，主編《林業(yè)定量遙感：框架、模型和應(yīng)用》教材。連續(xù)主持4項(xiàng)國家自然科學(xué)基金。曾入選北京市科技新星和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。現(xiàn)任Forest Ecosystems、《遙感學(xué)報(bào)》、《遙感技術(shù)與應(yīng)用》編委。

2020年10月，哥本哈根大學(xué)的研究人員領(lǐng)銜在Nature發(fā)表了一篇極有創(chuàng)意的論文，被Nature評為“2020十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”之一。研究人員利用2005—2018年間的11 128幅高空間分辨率衛(wèi)星圖像，對西非130多萬平方公里的地區(qū)進(jìn)行孤立木制圖，繪制了大約18億棵樹冠的位置和大小。用衛(wèi)星遙感圖像分割單木并不稀奇，但這應(yīng)該是世界上首次大規(guī)模、高分辨率、全覆蓋的孤立木制圖。從技術(shù)層面看，盡管該方法在更大范圍、更復(fù)雜地形、更密集樹冠等條件下的適用性還有不足，但這一突破無疑是林業(yè)遙感領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，對推廣高分辨率衛(wèi)星應(yīng)用、推動深度學(xué)習(xí)技術(shù)等意義重大，將成為林學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的一大利器，也有望實(shí)現(xiàn)全球單木信息提取。從科學(xué)層面看，該發(fā)現(xiàn)對理解非成林單木的結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能意義重大，將突破長期基于樣地進(jìn)行森林研究的尺度局限，并深遠(yuǎn)地改變我們對陸地生態(tài)系統(tǒng)的思維模式、建模方法和管理理念。

自1999年第一顆亞米級分辨率商業(yè)衛(wèi)星IKONOS成功發(fā)射以來，高空間分辨率民用衛(wèi)星遙感圖像（簡稱“高分圖像”）不斷涌現(xiàn),全球覆蓋能力顯著增強(qiáng)，為大范圍提取單木參數(shù)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，由于高分圖像價格昂貴，成像幾何復(fù)雜，樹冠形狀多樣，地形和光照條件多變，單木分割算法精度不高等因素，長期以來單木信息提取僅停留在極小區(qū)域的實(shí)驗(yàn)階段。面向?qū)ο蠓诸惛拍畹奶岢觯绕涫堑聡鴈Cognition軟件的推出，突破了傳統(tǒng)商業(yè)遙感軟件單純基于光譜信息進(jìn)行影像分類的局限性，大大提升了高分圖像的目標(biāo)識別精度；但是，eCognition的操作仍然需要大量人為干預(yù)，大范圍的應(yīng)用推廣仍然受限。

定量遙感的出現(xiàn)和發(fā)展為理解太陽光經(jīng)過大氣、到達(dá)森林內(nèi)部、穿過大氣再到達(dá)衛(wèi)星形成圖像的整個過程提供清晰準(zhǔn)確的物理模型，并能實(shí)現(xiàn)大范圍的森林高度、密度、葉綠素、氮素等參數(shù)的反演。目前，三維的單木結(jié)構(gòu)和林分反射率建模已經(jīng)較為成熟。但是，單木層次的定量遙感反演研究還非常匱乏，仍然未能解決單木分割的推廣問題。

人工智能尤其是深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，使得圖像解譯自動化成為可能。日新月異的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷改變著遙感的定性分類模式，也深刻沖擊著定量遙感的像元尺度反演研究。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN為例，不斷發(fā)展的FCN、U-net、Mask R-CNN等網(wǎng)絡(luò)框架很好地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識別、圖像分割、實(shí)例分割、參數(shù)反演等功能。在這篇論文中，11 128幅高分圖像數(shù)據(jù)量巨大，正是借助了U-net網(wǎng)絡(luò)，才得以實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的單木分割。可以說，長期積累的高分圖像大數(shù)據(jù)，插上深度學(xué)習(xí)的翅膀，從孤立木這個特殊的視角，才共同完成了這個漂亮的飛躍。

需要注意的是，論文中提到能檢測的最小樹冠大小是3 m2。為什么呢？目前常見的亞米級高分圖像一般能識別0.5~0.8 m的小目標(biāo)。該論文中使用的傳感器較多，空間分辨率不統(tǒng)一但是圖像均重采樣到0.5 m。考慮到樹冠的不規(guī)則性，取任意一個像素周圍3×4個鄰居像素作為一個最小樹冠，其面積為3 m2。該方法能否推廣到國產(chǎn)高分圖像呢？目前，我國高分二號衛(wèi)星最高分辨率為0.81 m，那么孤立木的最小識別大小約為 7.9 m2。在圖像邊緣，分辨率會更粗一些，這樣看來，利用高分二號容易漏掉小的單木。2020年7月發(fā)射的高分辨率多模綜合成像衛(wèi)星，是我國第一顆0.5 m分辨率敏捷智能遙感衛(wèi)星,將為我國未來地表單木制圖提供重要支撐。

但是，我們也要清醒的認(rèn)識到，孤立木的識別是深度學(xué)習(xí)較為擅長的方面，所以效果較好。但是，濃密森林中的單木分割仍然面臨很大挑戰(zhàn)，目前仍然需要大量地面樣地，結(jié)合抽樣調(diào)查等技術(shù)才能得到一些密度估算值。如果將該論文方法推廣到全球，還需要進(jìn)一步在復(fù)雜地形、高密度森林等環(huán)境下測試。目前，可以優(yōu)先考慮在西部干旱和半干旱區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，比如黃河流域的生態(tài)脆弱區(qū)，為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。

未來在技術(shù)上可將二維的位置和冠幅進(jìn)一步擴(kuò)展到三維的高度和體積，需要綜合激光雷達(dá)技術(shù)、多角度遙感和立體測繪技術(shù)，為更加精準(zhǔn)的估測林木的生態(tài)價值提供支撐。此外，深度學(xué)習(xí)的機(jī)理性偏弱，未來的一個方向?qū)⑹怯袡C(jī)結(jié)合三維輻射傳輸模型和深度學(xué)習(xí)，充分利用三維輻射傳輸模型提供大量訓(xùn)練樣本，減輕人工勾繪樣本的工作量，增加樣本數(shù)量，進(jìn)而提升深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練效率、穩(wěn)健性和精度。

5 潛伏的HIV病毒被“激殺”

導(dǎo)致艾滋病的HIV病毒可以長期“潛伏”在宿主細(xì)胞中，幾乎不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，因此不會被免疫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。在Nature雜志2020年1月同期發(fā)表的兩項(xiàng)研究中，報(bào)道了被稱為“激活并殺死”（Shock and Kill）的治療策略，旨在扭轉(zhuǎn)這種潛伏期，通過增加病毒基因的表達(dá)（激活），使被感染細(xì)胞更容易被免疫系統(tǒng)消滅（殺死）。兩組研究人員都描述了在動物模型中的干預(yù)措施，這可能是迄今為止報(bào)道的最有效的激活手段，而且是可重復(fù)的。Nixon及其同事使用了一種名為AZD5582的藥物，用于激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB——HIV-1基因表達(dá)的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預(yù)措施結(jié)合起來，先通過抗體療法耗竭CD8 T細(xì)胞（降低病毒轉(zhuǎn)錄水平的免疫細(xì)胞），再進(jìn)行N-803藥物治療，該藥物可激活HIV-1的轉(zhuǎn)錄。除了這些進(jìn)展，這兩項(xiàng)研究還展示了用藥物逆轉(zhuǎn)病毒潛伏相關(guān)的概念和技術(shù)挑戰(zhàn)。

“激活和清除”策略示意圖（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

張林琦 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授，萬科公共衛(wèi)生與健康學(xué)院副院長，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院兼職教授，清華大學(xué)艾滋病綜合研究中心主任，非洲科學(xué)院首位中國籍院士。主要從事艾滋病病毒與免疫系統(tǒng)相互作用關(guān)系、抗艾滋病病毒藥物和疫苗的研發(fā)、以及抗新發(fā)突發(fā)傳染病的單克隆抗體和疫苗的研發(fā)等。國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、“長江學(xué)者”特聘教授、“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選。發(fā)表SCI論文120余篇，Elsevier2014—2016年中國高被引學(xué)者感染和免疫專業(yè)第一名。國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家“十一五”、“十二五”科技重大專項(xiàng)首席科學(xué)家，國家自然科學(xué)基金委員會和蓋茨基金會“全球大挑戰(zhàn)艾滋疫苗研發(fā)”基金獲得者。

李楊陽 清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生，目前從事艾滋病免疫治療等相關(guān)工作。

Nature發(fā)布的2020年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一“潛伏的HIV病毒被‘激殺’”引起了大家廣泛的關(guān)注。從1981年艾滋病（AIDS）被發(fā)現(xiàn)至今已過去了40年，但艾滋病依舊無法被完全治愈。20世紀(jì)90年代，美籍華裔科學(xué)家何大一博士首次提出將3種及以上的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物聯(lián)合治療（HAART)，使得大部分病人體內(nèi)的病毒載量能夠在幾個月的時間內(nèi)降至檢測不到的水平。這一治療模式的推廣使得艾滋病從不治之癥變成較為可控的慢性疾病，極大降低了艾滋病的死亡率。但是隨后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)HAART仍不能夠完全清除HIV病毒達(dá)到治愈，因?yàn)镠IV-1感染后可以整合進(jìn)入細(xì)胞的基因組中，在短時間內(nèi)建立潛伏病毒庫。這群潛伏病毒細(xì)胞幾乎不轉(zhuǎn)錄或表達(dá)HIV的RNA和蛋白，不能被宿主的免疫系統(tǒng)以及抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物（ART）所識別清除。一旦停止治療潛伏病毒庫很快就會被激活再度產(chǎn)生新一輪的感染。潛伏感染庫主要為靜息狀態(tài)的CD4 T細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)這群潛伏細(xì)胞只占CD4 T的百萬分之一，并且平均的半衰期為44個月，所以完全清除潛伏庫達(dá)到治愈幾乎不可能。

目前針對清除病毒潛藏庫的策略主要有以下幾種，第一種“激活和清除”，利用潛伏逆轉(zhuǎn)試劑（LRA）激活潛伏病毒庫產(chǎn)生HIV的RNA和蛋白，再利用免疫細(xì)胞和ART進(jìn)行清除感染細(xì)胞；第二種“封閉和鎖定”，聯(lián)合潛伏促進(jìn)試劑（LPA）與ART藥物通過誘導(dǎo)表觀遺傳沉默抑制轉(zhuǎn)錄，并促進(jìn)“深潛伏期”狀態(tài)，阻斷或限制治療中斷后的病毒反彈；第三種利用核酸酶CRISPR技術(shù)敲除細(xì)胞中整合的完整HIV前病毒，使得中斷治療后病毒無法反彈。“激活和清除”是研究最多的功能性治愈策略，目前有非常多種類的潛伏逆轉(zhuǎn)試劑在體外潛伏感染細(xì)胞模型中驗(yàn)證出可以激活HIV庫，主要包括組蛋白去乙酰化酶抑制劑，溴蛋白抑制劑，蛋白激酶C激活劑，細(xì)胞因子，以及Toll樣受體激動劑等。但是目前上臨床的潛伏逆轉(zhuǎn)試劑藥物效果都不理想，只能夠檢測到細(xì)胞內(nèi)相關(guān)的HIV RNA升高，但是血漿中的HIV RNA未明顯上升，組織中的靜息CD4 T細(xì)胞也未被證明激活，“激活和清除”的策略遇到很大的阻礙。

2020年同期在Nature發(fā)表的兩篇論文分別報(bào)道了兩種不同的潛伏逆轉(zhuǎn)試劑，在第一項(xiàng)研究中，Nixon研究組發(fā)現(xiàn)了一種藥物可以通過非經(jīng)典信號通路激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB，進(jìn)而逆轉(zhuǎn)HIV-1基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，他們將這種藥物命名為AZD5582。AZD5582相較于通過經(jīng)典途徑激活NF-κB的PKC激動劑誘導(dǎo)的基因數(shù)量降低5~10倍，更加特異且持久地驅(qū)動NF-κB轉(zhuǎn)錄。在BLT人源化小鼠感染模型中，單劑量的AZD5582可以誘導(dǎo)小鼠組織器官中的靜息CD4 T細(xì)胞HIV RNA增加，并且在血漿中也能檢測到HIV RNA的反彈。在恒河猴SIV感染模型中，55%的恒河猴接受了10次AZD5582治療顯示持續(xù)性的病毒血癥反彈。雖然檢測靜息狀態(tài)的CD4 T相關(guān)SIV RNA有顯著性的升高，但是遺憾的是SIV DNA病毒庫未明顯降低。

第二項(xiàng)研究中，McBrien研究組設(shè)計(jì)了一種白細(xì)胞介素-15（IL-15）超級激動劑N-803，是由突變的IL-15，二聚體IL-15受體α和抗體IgG-Fc組成的融合蛋白，比IL-15的活性高至少25倍，并且提高了體內(nèi)安全性和生物利用度。在SIV感染經(jīng)過ART治療的恒河猴模型中，研究組結(jié)合了兩種免疫干預(yù)，第一種是利用IL-15超級激動劑N-803，另一種是利用MT807R1（anti-CD8α）抗體清除CD8 T細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用N-803不足以激活體內(nèi)的潛伏病毒庫，但是將CD8 T耗竭和N-803聯(lián)合使用，14只恒河猴100%檢測到血漿中病毒大于每毫升60個拷貝，并且淋巴組織中SIV RNA有顯著提升，同時在停藥后N-803能夠促進(jìn)CD8 T細(xì)胞的增殖重建。研究組在HIV-1感染經(jīng)過AR治療的人源化小鼠模型中，也得到了相似的結(jié)果，耗竭CD8 T細(xì)胞后加入N-803治療，有87.5%的人源化小鼠顯示出病毒重激活，并且在脾臟和胸腺中的HIV RNA顯著增加。但是遺憾的是分析恒河猴模型在中斷ART治療后依舊病毒很快反彈，并且SIV DNA細(xì)胞水平?jīng)]有下降，推測可能是缺乏針對重激活的感染細(xì)胞的CD8 T細(xì)胞介導(dǎo)的清除。

這兩項(xiàng)工作報(bào)道的AZD5582和N-803在小鼠和恒河猴感染模型中，能夠產(chǎn)生迄今為止最為強(qiáng)效和可重復(fù)的病毒反彈，并且沒有顯示出明顯的臨床副作用，讓我們對ART治療中HIV潛伏病毒庫的逆轉(zhuǎn)機(jī)制和應(yīng)用有了新的認(rèn)知和理解。但遺憾的是因?yàn)镠IV整合進(jìn)入宿主基因并形成潛伏病毒庫的機(jī)制非常復(fù)雜，受到插入基因位置，表觀遺傳等影響，潛伏病毒細(xì)胞各有特點(diǎn)因人而異，可能只有部分潛伏庫細(xì)胞對于單一的LRA藥物激活較為敏感。目前應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方式很難測定響應(yīng)LRA藥物激活的潛伏庫比例，如果貢獻(xiàn)病毒HIV RNA反彈的只是小部分潛伏庫細(xì)胞，剩下對于LRA藥物不敏感的潛伏庫可能成為優(yōu)勢的細(xì)胞群被保留下來難以清除。最為重要的是，我們應(yīng)用“激活和清除”的策略最終希望能夠檢測到潛伏病毒庫相關(guān)標(biāo)志物的減小，這是此策略能否達(dá)到艾滋病功能性治愈的最關(guān)鍵的治療終點(diǎn)，但是兩項(xiàng)研究單獨(dú)應(yīng)用AZD5582或者N-803與CD8 T耗竭的方式，研究者未檢測到相關(guān)組織中HIV DNA有明顯減少。這兩項(xiàng)工作的主要目的是研究藥物對于潛伏病毒庫的逆轉(zhuǎn)情況，缺乏后續(xù)“清除”重新激活的HIV感染細(xì)胞的手段。并且CD8 T耗竭的方式在一定時間內(nèi)有可能損害免疫系統(tǒng)對于HIV細(xì)胞的清除。下一步的研究關(guān)鍵點(diǎn)需要將LRA藥物激活與免疫殺傷相結(jié)合，例如HIV-1廣譜中和抗體，HIV CAR-T或CAR-NK等免疫治療的策略。2018年Borducchi研究組報(bào)道利用TLR7激動劑GS9620聯(lián)合HIV廣譜中和抗體PGT121在恒河猴模型上實(shí)現(xiàn)了延長ART中斷后病毒反彈的時間，顯示出激動劑和免疫治療聯(lián)合達(dá)到功能性治愈的可能。總的來說，Nixon以及McBrien兩個研究組的工作發(fā)現(xiàn)了更為強(qiáng)效、穩(wěn)定且安全的潛伏激活劑，同時對于“激活和清除”策略機(jī)制帶來了新的理解，期待在之后的臨床試驗(yàn)中能夠取得相似的優(yōu)異結(jié)果，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)艾滋病治愈的目標(biāo)。

6 攝食偏好的腦進(jìn)化機(jī)制

一種學(xué)名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食。與其他喜歡各種水果的果蠅相比，是什么讓這個物種如此挑食？Auer等人利用基因組編輯工具CRISPR-Cas9破解了這個謎題。他們發(fā)現(xiàn)，相比其他果蠅，Drosophila sechellia體內(nèi)表達(dá)氣味受體22a蛋白（Or22a）的感覺神經(jīng)元格外豐富，而Or22a氨基酸序列的微小變化正是果蠅Drosophila sechellia偏愛諾麗果的關(guān)鍵原因。他們還發(fā)現(xiàn)了其他幾種可能導(dǎo)致這種簡單行為轉(zhuǎn)變的演化改變。即使是喜歡臭水果的小小果蠅，也能有力地揭示大腦如何演化出復(fù)雜的行為。

一種專門取食具有毒性和惡臭食物的果蠅

（圖片來源: Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

潘玉峰 東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者。主要以果蠅為動物模型研究本能求偶行為的分子與神經(jīng)機(jī)制，以及不同本能行為（求偶、打斗、取食、睡眠等）如何互作并選擇性輸出的調(diào)控機(jī)制。研究成果發(fā)表在Cell、Nature Communications、PNAS、eLife等雜志上。

Nature雜志評選的2020年“十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”包含一項(xiàng)關(guān)于果蠅攝食行為的基礎(chǔ)研究，讓人耳目一新，為什么小小果蠅取食的秘密竟能入選年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)呢？

動物的行為在特定自然環(huán)境下發(fā)生適應(yīng)性的改變，這種行為改變的機(jī)制研究有助于深刻理解動物行為包括人類行為如何產(chǎn)生和進(jìn)化。盡管進(jìn)化論已經(jīng)深入人心，但是行為進(jìn)化的機(jī)制鮮有深入研究，它需要比較某種行為如何在同一物種或者相近的不同物種中出現(xiàn)分化，以及研究這種行為分化產(chǎn)生的分子和神經(jīng)機(jī)制。

黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）是研究行為調(diào)控機(jī)制的經(jīng)典動物模型，比如獲得2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的生物鐘的分子機(jī)制就是利用這一果蠅模型發(fā)現(xiàn)的。近年來，隨著CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以往僅在黑腹果蠅這一模式動物中使用的各種遺傳學(xué)工具也開始應(yīng)用于其他果蠅物種之中，特別是那些基因組已經(jīng)完成測序的果蠅物種中，這為深入研究兩個或多個相近物種的行為如何進(jìn)化提供了理想的動物模型。以攝食行為為例，其中一個果蠅物種（Drosophila sechellia）具有獨(dú)特的攝食偏好：該果蠅主要取食一種有毒的、具有惡臭的腐爛水果（Morinda citrifolia,俗稱諾麗果、嘔吐果），而與其在進(jìn)化上十分接近的果蠅物種，包括黑腹果蠅，均以更為常見的水果（比如香蕉和葡萄等）為食。D. sechellia果蠅的這種獨(dú)特的攝食偏好可能來源于幾十萬年前其生活的印度洋塞舌爾群島上存在豐富的諾麗果，而缺乏其他果實(shí)，使其進(jìn)化出獨(dú)特的攝食諾麗果的神經(jīng)和代謝系統(tǒng)。

在以上背景下，瑞士洛桑大學(xué)的Richard Benton教授系統(tǒng)比較了三種果蠅物種（D. melanogaster，D. sechellia和D. simulans）的攝食偏好，并通過同時在這三種果蠅物種中構(gòu)建大量轉(zhuǎn)基因突變體和遺傳標(biāo)記與操控的工具，發(fā)現(xiàn)了攝食偏好的腦進(jìn)化機(jī)制。他們的主要發(fā)現(xiàn)包括：（1）鑒定到感知諾麗果的獨(dú)特氣味（主要包含各種甲酯類）的感覺神經(jīng)元及其表達(dá)的嗅覺受體蛋白Or22a，并發(fā)現(xiàn)缺失Or22a蛋白使得各種果蠅喪失了感知諾麗果氣味的能力；（2）D. sechellia果蠅的Or22a蛋白與其他果蠅物種的Or22a蛋白序列高度保守，但是存在幾個氨基酸的突變；這些突變，特別是其中一個氨基酸的突變足以更改果蠅對諾麗果氣味的不同反應(yīng)，揭示了這種行為進(jìn)化中的主要分子機(jī)制；（3）D. sechellia果蠅不僅進(jìn)化出對諾麗果氣味更為敏感的Or22a蛋白，其表達(dá)該蛋白的感覺神經(jīng)元數(shù)目也是其他果蠅物種的約兩倍之多；（4）D. sechellia果蠅處理嗅覺信息的更為中樞的神經(jīng)元也發(fā)生了投射上的改變，這可能使得其對該氣味由厭惡變?yōu)橄埠谩＿@項(xiàng)研究揭示了攝食偏好的進(jìn)化體現(xiàn)在多個尺度上：從嗅覺受體蛋白的單個氨基酸的突變，到表達(dá)該受體蛋白的神經(jīng)元數(shù)目的改變，再到整合該感覺刺激的中樞神經(jīng)元的投射變化。

該研究令人驚嘆的地方在于其對行為進(jìn)化機(jī)制研究的深度和廣度。研究者在三種果蠅物種中同時構(gòu)建了大量轉(zhuǎn)基因工具，并平行研究各物種的攝食行為調(diào)控，把攝食偏好的進(jìn)化機(jī)制深入到單基因和單神經(jīng)元的尺度，同時從感覺系統(tǒng)擴(kuò)展到中樞整合系統(tǒng)。盡管目前對動物行為調(diào)控的機(jī)制研究取得了很多進(jìn)展，也包括我國很多學(xué)者在本能行為、學(xué)習(xí)記憶、遺忘、抑郁癥、自閉癥等調(diào)控機(jī)制上的突出貢獻(xiàn)，但往往都局限于某一模式動物的研究，只能解決行為在該物種中“如何調(diào)控”這一問題；而Benton教授的這項(xiàng)工作將激發(fā)更多針對不同物種間的行為進(jìn)化機(jī)制的研究，以解決行為“如何進(jìn)化”以及“為什么進(jìn)化為現(xiàn)狀”這些更少觸及的科學(xué)問題。

7 銀河系中的快速射電暴

發(fā)表在2020年11月Nature雜志上的三篇論文報(bào)道了對一個快速射電暴（FRB）現(xiàn)象的探測，顯示其來源位于銀河系內(nèi)。有趣的是，快速射電暴伴隨著X射線的爆發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)是通過綜合了多臺太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果得出的。顧名思義，“快速射電暴”是指一種瞬態(tài)的無線電波明亮脈沖，爆發(fā)持續(xù)時間約為毫秒級。研究者于2007年首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，由于存在時間很短，使得探測它們并確定其在天空中的位置變得異常困難。這是第一個被探測到具有除無線電波外輻射的快速射電暴，也是該現(xiàn)象在銀河系內(nèi)的首次發(fā)現(xiàn)。這三項(xiàng)觀測也首次證實(shí)了磁星是快速射電暴的來源之一，這是目前唯一被觀測驗(yàn)證的可產(chǎn)生快速射電暴的天體。值得一提的是，其中一篇論文來自中國的研究團(tuán)隊(duì)，共同第一作者為北京師范大學(xué)的林琳、北京大學(xué)張春風(fēng)和國家天文臺王培，觀測結(jié)果則是來自中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。

上：磁星發(fā)射快速射電暴過程示意圖（圖片來源：Columbia University Department of Physics）；

下：FAST觀測流量限制（圖片來源：Lin et al. 2020, Nature, 587, 63）

專家點(diǎn)評：

李 菂 國家天文臺研究員，現(xiàn)任突破基金會聆聽計(jì)劃指導(dǎo)委員，F(xiàn)AST首席科學(xué)家。命名了氫氣窄線自吸收（HINSA）方法，發(fā)現(xiàn)了星際氧氣分子，組織發(fā)現(xiàn)FAST首個新脈沖星、首個新快速射電暴，為FAST監(jiān)測河內(nèi)快速射電暴論文的共同通訊作者。

快速射電暴（FRB）是一個出人意料的全新領(lǐng)域。其在2007年被首次發(fā)現(xiàn)，2013年被確認(rèn)并獲得公認(rèn)命名FRB，2017年才完成首例定位和宿主星系的紅移測量揭示了其宇宙學(xué)起源。2017年的突破被美國天文學(xué)會稱作“自LIGO引力波測量之后天文學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)”。

快速射電暴的起源至今未知。這一神秘現(xiàn)象持續(xù)約千分之一秒的時間，釋放太陽輻射一天甚至一年的能量，既可能孕育了新的基礎(chǔ)物理或天體物理也有潛力成為探索宇宙的有力工具。自2007年Lorimer等人在重新處理Parkes望遠(yuǎn)鏡對大小麥哲倫云天區(qū)脈沖星巡天數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)第一個FRB (FRB010724)，現(xiàn)今已探測到數(shù)百例FRB，有十幾例被定位到能夠確認(rèn)其宿主星系。FRB的宇宙學(xué)起源得到了天文界公認(rèn)。少量FRB源被探測到重復(fù)暴發(fā)。那是否所有的FRB都會重復(fù)暴發(fā)呢？2020年3月舉辦的國際FRB專題研討會上，與會專家就上述問題進(jìn)行了非正式投票，結(jié)果接近一半一半。這體現(xiàn)了人類對于這一現(xiàn)象的知識缺乏。

2020年11月4日，Nature雜志發(fā)表三篇論文，報(bào)道了首例銀河系內(nèi)的快速射電暴。這三項(xiàng)最新觀測證實(shí)了極強(qiáng)磁場中子星（磁星）是快速射電暴的來源之一，三篇論文分別來自加拿大氫強(qiáng)度測繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）望遠(yuǎn)鏡、美國STARE-2望遠(yuǎn)鏡以及我國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。其中前兩篇為發(fā)現(xiàn)論文，第三篇為后隨監(jiān)測。這一結(jié)果使得磁星成為目前唯一被觀測驗(yàn)證的可產(chǎn)生FRB類暴發(fā)的天體，為揭開與FRB有關(guān)的種種謎題奠定了基礎(chǔ)，是一個里程碑式的成就。

磁星是高度磁化的特殊中子星。2020年4月28日，CHIME和STARE-2望遠(yuǎn)鏡首次在銀河系內(nèi)磁星軟伽馬射線暴源SGR J1935+2154探測到了明亮的毫秒級射電脈沖暴發(fā)FRB 200428，追蹤到磁星與FRB之間的聯(lián)系。我國學(xué)者使用FAST從4月下旬開始監(jiān)測并結(jié)合了國際多波段設(shè)備，例如費(fèi)米衛(wèi)星伽馬暴監(jiān)測器（Fermi-GBM）、光學(xué)BOOTES望遠(yuǎn)鏡及我國慧眼衛(wèi)星硬X線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Insight-HXMT）。在源X、軟伽馬射線暴發(fā)活躍期，特別是 29個軟伽馬射線暴對應(yīng)的精確時間節(jié)點(diǎn)上未探測到任何射電輻射。FAST的測量結(jié)果結(jié)合CHIME和STARE-2的探測，覆蓋了8個數(shù)量級的亮度空間，在毫央斯基流量閾值上給出了這一河內(nèi)FRB源迄今最嚴(yán)格的射電流量限制，提供了重要物理約束，對研究FRB起源和物理機(jī)制，起到重要的推動作用。中外研究團(tuán)隊(duì)通過幾個不同角度的敘事，共同講述了一個FRB起源的故事。磁星是人類首次證實(shí)可產(chǎn)生FRB的天體，F(xiàn)RB與SGR暴發(fā)具有較弱相關(guān)性，反映宇宙中致密天體在不同波段爆發(fā)必須依賴于極其特殊的物理?xiàng)l件，推動進(jìn)一步研究磁星FRB的輻射幾何和供能機(jī)制，為理解FRB物理起源指出了切入點(diǎn)。

快速射電暴的發(fā)現(xiàn)出人意料的晚。大型望遠(yuǎn)鏡的各種射電巡天已經(jīng)進(jìn)行了半個多世紀(jì)，而這一個厘米波段宇宙中最亮的瞬變源，甚至用量產(chǎn)的電視天線都有可能探測到。宇宙的魅力在于其無盡的可能性。FAST的歷史最強(qiáng)絕對靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少5個新快速射電暴源，探測到上千次FRB重復(fù)暴發(fā)，正在為揭示這一宇宙中神秘現(xiàn)象的機(jī)制、推進(jìn)這一天文學(xué)全新的領(lǐng)域做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

8 冷凍電鏡達(dá)到原子分辨率

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個基本原理是，一旦研究人員能夠以足夠的分辨率直接觀察到大分子，就有可能理解其三維結(jié)構(gòu)與生物功能之間的聯(lián)系。在2020年10月Nature雜志同期發(fā)表的兩項(xiàng)研究中，Yip等人和Nakane等人報(bào)道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質(zhì)中單個原子的位置。兩個小組使用的硬件都經(jīng)過改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，cryo-EM圖像信噪比的提高將擴(kuò)展冷凍電鏡技術(shù)的適用性。也許這些技術(shù)的融合將使cryo-EM的結(jié)構(gòu)測定達(dá)到甚至超越1埃（0.1納米）的分辨率——這在過去幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的成就。

冷凍電鏡（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

王宏偉 清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地常務(wù)副主任，北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心常務(wù)副主任，北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心常務(wù)副主任。主要研究方向?yàn)槔鋬鲭娮语@微學(xué)和生物大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)理，致力于開發(fā)更高效、更高分辨率的冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)與方法。承擔(dān)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等。突破性研究成果發(fā)表在Nature、Cell、Science等高水平學(xué)術(shù)期刊。

著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在他1959年的著名演講There's Plenty Room at the Bottom中提出：要讓生物學(xué)進(jìn)展的更快，我們應(yīng)該把電子顯微鏡改良100倍，以看到更精細(xì)的生物結(jié)構(gòu)，從而回答更多生物學(xué)的基本問題。那時候的電子顯微鏡可以達(dá)到的最佳分辨率在1納米，還不足以分辨出微觀世界里的單個原子，要應(yīng)用電子顯微鏡分辨生物結(jié)構(gòu)中的原子則困難更大。

在費(fèi)曼演講后的半個多世紀(jì)里，結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展非常迅速。科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了對生物大分子結(jié)構(gòu)的原子分辨率解析，但并不是應(yīng)用電子顯微鏡，而主要是應(yīng)用X射線晶體學(xué)與核磁共振波譜學(xué)技術(shù)。X射線晶體學(xué)利用X射線穿過高度有序的生物大分子三維晶體會發(fā)生衍射的原理來解析晶體中分子的結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵要求是獲得高度有序的三維晶體。核磁共振波譜學(xué)通過測量生物大分子中特異的原子核自旋狀態(tài)對高能磁場響應(yīng)的變化來解析溶液中分子的結(jié)構(gòu)，需要較高濃度的樣品進(jìn)行較長時間的數(shù)據(jù)采集，主要適合于解析分子量相對較小的生物大分子。電子顯微鏡通過對微小物體的直接放大成像進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察，具有諸如樣品需求量小、適合分析多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)勢，但是應(yīng)用電子顯微鏡解析生物樣品高分辨結(jié)構(gòu)面對幾個主要技術(shù)困難，包括：生物含水樣品如何保持在高真空的電子顯微鏡中，生物分子的結(jié)構(gòu)在高能電子輻射下如何有效保持，生物結(jié)構(gòu)在電子顯微鏡成像中的微弱信號如何有效提取等。

從20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們經(jīng)過多年持續(xù)的努力建立了冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)。該技術(shù)通過將生物含水樣品迅速冷卻到液氮溫度下把樣品包埋在玻璃態(tài)的冰中，從而將生物大分子的結(jié)構(gòu)固定在冷凍前一瞬間液體中的狀態(tài)。這種冷凍在液氮溫度下的生物樣品一方面可以在電子顯微鏡內(nèi)的高真空中得以保持其含水狀態(tài)，另一方面抗電子輻照損傷的能力得到了提升，因而可以使用電子顯微鏡對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。電子顯微鏡自從被發(fā)明出來，經(jīng)過幾十年的持續(xù)改進(jìn)，其成像能力得到了很大的提升，在本世紀(jì)初就已經(jīng)突破了1埃的成像分辨率，可以對無機(jī)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子水平的分析。這得益于一系列電子顯微光學(xué)器件與計(jì)算機(jī)控制軟件的革新和改進(jìn)，比如場發(fā)射電子槍、多級聚光鏡、穩(wěn)定的物鏡系統(tǒng)、球差矯正裝置、能量過濾器等。但是，要使用電子顯微鏡解析冷凍生物樣品的高分辨率結(jié)構(gòu)，還需要解決生物大分子結(jié)構(gòu)信號提取的技術(shù)難題。冷凍生物樣品在電子顯微鏡下成像需要使用比無機(jī)材料低的多的電子輻照劑量，導(dǎo)致圖像的信噪比很低。這一直是阻擋冷凍電子顯微學(xué)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮作用的主要難題。

過去的近20年里，兩方面的技術(shù)革新大大地推進(jìn)了冷凍電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)解析分辨率，如今成為了結(jié)構(gòu)生物學(xué)最有力的研究手段。一個是直接電子探測裝置的發(fā)明。直接電子探測裝置實(shí)現(xiàn)了對顯微鏡中的電子直接響應(yīng)從而記錄數(shù)字化的電子顯微像，提高了圖像信號的高效率傳遞。這種裝置還可以實(shí)現(xiàn)對同一樣品區(qū)域高速多幀的圖像采集，從而通過數(shù)字圖像處理消除樣品漂移產(chǎn)生的信號損失，提升圖像的質(zhì)量。多幀圖像的采集可以對樣品電子輻照強(qiáng)度的情況進(jìn)行分析，在生物冷凍樣品的電子顯微鏡觀察中尤其重要。另一個技術(shù)革新是新型冷凍電鏡圖像處理軟件算法的發(fā)明。幾十年來發(fā)展起來的基于統(tǒng)計(jì)的圖像處理算法對于提高冷凍電子顯微鏡生物大分子圖像的信噪比具有重要的作用，逐漸發(fā)展成為單顆粒冷凍電鏡方法。本世紀(jì)初，概率統(tǒng)計(jì)的概念被引入到單顆粒冷凍電鏡領(lǐng)域里來，很快被發(fā)現(xiàn)很適合于解決冷凍電子顯微圖像的低信噪比問題，從而迅速在冷凍電子顯微圖像處理的很多方面得以應(yīng)用。以上兩項(xiàng)技術(shù)革新恰逢其時，相輔相成，將冷凍電子顯微鏡的分辨率解析能力在短短的2~3年里即從8~10埃推至3~4埃，實(shí)現(xiàn)了冷凍電子顯微學(xué)的“分辨率革命”。自從2013年高分辨率的TRPV1結(jié)構(gòu)被發(fā)表以來，單顆粒冷凍電鏡方法解析出的近原子分辨率結(jié)構(gòu)數(shù)目呈指數(shù)上升，分辨率也逐年提高。更為重要的是，很多以前應(yīng)用X射線晶體學(xué)和核磁共振波譜學(xué)無法解析的復(fù)雜生物大分子復(fù)合物在冷凍電子顯微鏡下都很快被解析出高分辨率結(jié)構(gòu)了。若干極其重要的生物學(xué)過程的本質(zhì)機(jī)理在冷凍電子顯微鏡下被揭開了它們的神秘面紗。冷凍電子顯微學(xué)距離直接觀察到生物大分子中的原子只有一步之遙了。

2020年的兩個工作打開了通向原子分辨率冷凍電鏡時代的大門。與前面的多次突破類似，這一次仍然得益于電子顯微鏡技術(shù)的革新。兩個工作分別證明了性能更好的電子槍、球差矯正裝置、能量過濾成像系統(tǒng)、圖像處理軟件算法可以有效地提升冷凍電子顯微鏡對生物大分子結(jié)構(gòu)的解析分辨率。在1.2埃的分辨率下，單顆粒冷凍電鏡方法不但清晰地解析出了蛋白質(zhì)分子中每一個氨基酸中碳原子、氧原子、氮原子的空間位置，而且定位了氫原子的空間坐標(biāo)。雖然應(yīng)用晶體衍射技術(shù)，人類已經(jīng)可以在亞埃的分辨率下觀察到氫原子，但這是首次應(yīng)用單顆粒冷凍電鏡觀察到非晶體狀態(tài)中生物分子的氫原子，具有更重要的生物化學(xué)意義。過去，科學(xué)家們基于晶體學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，一直以為單顆粒冷凍電鏡的分辨率需要突破1埃的分辨率才可能實(shí)現(xiàn)觀察到氫原子的目標(biāo)，但實(shí)驗(yàn)證明，冷凍電鏡技術(shù)在1.2埃的分辨率下即可。費(fèi)曼60多年前的夢想今天可以說基本實(shí)現(xiàn)了。應(yīng)用原子分辨率冷凍電子顯微學(xué)，我們可以對最接近于生物環(huán)境的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的揭示和分析，并與它們的功能緊密結(jié)合起來，理解這些生物大分子的結(jié)構(gòu)變化及其調(diào)控機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們將可以更廣泛地開展結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，更深入地揭示生命現(xiàn)象的規(guī)律，更有效地開發(fā)新型藥物分子。

9 Ⅰ型干擾素缺乏會導(dǎo)致新冠重癥化

2020年9月在線發(fā)表于Science的兩篇論文中，Zhang等人和Bastard等人闡明了影響感染新冠病毒后是否發(fā)展為重癥的一個關(guān)鍵因素——干擾素尤其是I型干擾素（IFN-I）的缺乏。這種缺乏可能由不同原因?qū)е拢热缇幋a關(guān)鍵抗病毒信號分子的基因發(fā)生遺傳突變，或由于抗體與I型干擾素結(jié)合并使其“中和”。I型干擾素缺乏如何導(dǎo)致危及生命的重癥COVID-19？最直接的解釋是這種缺乏導(dǎo)致病毒不受控制地復(fù)制和傳播。另一方面，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統(tǒng)功能有其他影響。IFN-I誘導(dǎo)通路基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，那些對IFN-α和IFN-ω具有中和性抗體的人也可能受益于治療中提供的其他類型的干擾素，如IFN-β和IFN-λ。

專家點(diǎn)評：

方向明 教授、博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長，長江學(xué)者，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才。主要從事急重癥患者圍手術(shù)期救治的臨床與基礎(chǔ)研究。在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、“十二五”國家科技支撐計(jì)劃等20余項(xiàng)基金資助下，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，分別于2011年、2019年獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。

由SARS-CoV-2引起的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）大流行，已導(dǎo)致全球超過280萬人死亡，給人類社會造成前所未有的沖擊，嚴(yán)重威脅全球人類健康，同時也將生物醫(yī)學(xué)研究推向科學(xué)研究的最前沿。最近，美國洛克菲勒大學(xué)Jean-Laurent Casanova等研究人員發(fā)現(xiàn)：I型干擾素（IFN-I）缺乏可導(dǎo)致重癥COVID-19；重癥COVID-19的患者中，至少有10.2%的患者會產(chǎn)生攻擊自身免疫系統(tǒng)而不是與病毒抗?fàn)幍摹皟?nèi)鬼”抗體；有3.5%的重癥COVID-19患者的IFN-I相關(guān)抗病毒防御基因存在突變。這些發(fā)現(xiàn)揭示了COVID-19致病并危及生命的部分機(jī)制，這有可能改變公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)對疫苗接種分配策略，并為重癥COVID-19治療指明新的方向，無疑作為Nature 2020年“十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。

流行病學(xué)研究已明確重癥COVID-19感染的三個風(fēng)險因素：男性，老年人和伴隨有其他疾病。但即便考慮這些因素，個體間依舊存在較大的臨床差異。如何降低重癥新冠肺炎的死亡率、提高治愈率？如何讓COVID-19患者得到“定制化”的治療？探索并闡明COVID-19感染和疾病進(jìn)展相關(guān)的精確分子機(jī)制，是防治重癥新冠肺炎的根本途徑。

IFN-I（包括IFNα和IFNβ）是病毒感染早期抗病毒斗爭的重要先鋒。IFN-I于60多年前由Isaacs和Lindenman在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)，具有先天的、快速的抗病毒活性。IFN-I以自分泌和旁分泌方式作用于宿主細(xì)胞，誘導(dǎo)其表達(dá)各種干擾素刺激基因（ISG），提高細(xì)胞抗病毒活性。同時IFN-I也是天然免疫系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)之間的中間橋梁。當(dāng)病毒入侵細(xì)胞時，IFN-I會立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部反應(yīng)，觸發(fā)感染細(xì)胞產(chǎn)生攻擊病毒的蛋白，并且招募大量免疫細(xì)胞至感染部位并提醒鄰近未感染的細(xì)胞準(zhǔn)備防御戰(zhàn)斗。因此IFN-I能否正常發(fā)揮功能將直接影響COVID-19肺炎的進(jìn)展，IFN-I的功能缺失將導(dǎo)致危及生命的病毒感染。COVID-19感染過程中IFN-I為何會功能失效？如何針對IFN-I功能障礙進(jìn)行治療？這些都是COVID-19治療中的關(guān)鍵問題。

2020年9月24日在線發(fā)表在Science雜志上的兩項(xiàng)研究對此進(jìn)行了相關(guān)闡述，解釋了某些人群中COVID-19的病情為何如此嚴(yán)重。Bastard等對來自世界各地的987名重癥患者的血液樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)10.2%的患者中存在攻擊和中和患者自身IFN-I的抗體，且這部分患者血液中干擾素水平極低甚至檢測不到。進(jìn)一步相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，自身抗體使干擾素失去作用，暴露在具有IFN-I抗體中的細(xì)胞未能抵御SARS-CoV-2的侵襲。而在663例輕度或無癥狀的SARS-CoV-2感染患者中，沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的自身IFN-I抗體。Zhang等研究人員對659名新冠肺炎危重患者和534名患輕度或無癥狀的對照患者進(jìn)行了DNA測序，發(fā)現(xiàn)3.5% 的危及生命的COVID-19患者存在IFN基因相關(guān)的遺傳缺陷，而缺乏干擾素相關(guān)基因的細(xì)胞更容易受到SARS-CoV-2感染。

這兩項(xiàng)研究為COVID-19感染的重癥化的預(yù)警提供了重要的生物標(biāo)志物和高危遺傳標(biāo)記。根據(jù)人群IFN-I相關(guān)基因突變及IFN-I自身抗體檢測，甄別有可能發(fā)展為重癥COVID-19的高風(fēng)險個體，然后進(jìn)行重點(diǎn)防治，避免暴露或優(yōu)先接種疫苗在這一階段是非常重要的。其次，IFN-I的自身抗體可能是在COVID感染過程中產(chǎn)生的，因此把握干擾素的給藥時機(jī)直接關(guān)聯(lián)預(yù)后，應(yīng)及早給予干擾素治療。第三，自身抗體對IFN-I應(yīng)答的抑制可能是COVID-19肺炎惡化的重要機(jī)制，通過血漿置換消弱自身抗體，將有益于預(yù)后。第四，使用恢復(fù)期血漿治療時必須進(jìn)行自身抗體檢測，避免使用包含自身抗體的血漿。最后，目前的研究表明，重組IFN-β治療無法使體內(nèi)具有自身抗體的患者受益，而對于攜帶IFN-I基因突變，而不是IFNAR1或IFNAR2突變的患者則可以改善預(yù)后。這些發(fā)現(xiàn)將為COVID-19的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和個性化治療提供新思路。

內(nèi)源性干擾素缺乏是新冠肺炎發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵決定因素，突顯了在COVID-19感染時進(jìn)行干擾素治療的潛力。我國多個研究團(tuán)隊(duì)也在干擾素病毒防治領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展：侯云德院士（被業(yè)界尊稱為“中國干擾素”之父）成功研制我國首個基因工程藥物—重組人干擾素α1b，這種改良的干擾素不僅具備良好的抗病毒作用，而且不會引起過度炎癥反應(yīng)，大大減少了干擾素的副作用，為臨床治療COVID-19提供了重要候選藥物；陳薇院士團(tuán)隊(duì)在非典疫情期間研發(fā)的“重組人ω干擾素”，獲準(zhǔn)進(jìn)入臨床，許多醫(yī)護(hù)人員使用重組人ω干擾素噴霧劑，有效地預(yù)防了非典病毒感染；在中醫(yī)臨床研究中，清肺排毒方配合干擾素α治療COVID-19具有明確效果，證明中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)在重大疫情防治上發(fā)揮越來越重要的作用。雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越！

10 壓力導(dǎo)致頭發(fā)變白

這是Nature雜志“新聞與觀點(diǎn)”欄目在2020年讀者瀏覽最多的一項(xiàng)研究報(bào)道。目前對壓力對頭發(fā)變白的相對作用尚不完全清楚。頭發(fā)的顏色由黑素細(xì)胞決定，這些細(xì)胞來自于毛囊凸起部分的黑色素干細(xì)胞（MeSCs）。這篇發(fā)表于2020年1月Nature雜志的論文是哈佛大學(xué)許雅捷團(tuán)隊(duì)的成果，第一作者是張兵博士。研究報(bào)告稱，在壓力引起的“戰(zhàn)斗或逃跑”反應(yīng)中，交感神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元會釋放出神經(jīng)遞質(zhì)分子去甲腎上腺素；在極端應(yīng)激或高水平去甲腎上腺素暴露下，黑色素干細(xì)胞的增殖分化顯著增加，導(dǎo)致黑色素細(xì)胞大量遷移，遠(yuǎn)離毛囊隆突區(qū)，但由于沒有替代的干細(xì)胞，便導(dǎo)致頭發(fā)變白。這項(xiàng)研究將有助于了解壓力如何影響其他的干細(xì)胞，也為尋找阻止和逆轉(zhuǎn)壓力的方法提供了線索。

黑色素干細(xì)胞與應(yīng)激（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

專家點(diǎn)評：

胡 霽 上海科技大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，教育部“長江學(xué)者”特聘教授，中國神經(jīng)科學(xué)會應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)分會副主任委員，中國神經(jīng)科學(xué)會認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)分會副主任委員。主要從事應(yīng)激的生物學(xué)機(jī)制研究。以通訊作者在Nature、Neuron、Current Biology、Cerebral Cortex等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表系列論文。獲中國科學(xué)院教學(xué)成果二等獎（唯一完成人），重慶市科技進(jìn)步一等獎（第二完成人）。 

長期以來，我們將壓力應(yīng)激經(jīng)歷與頭發(fā)變白現(xiàn)象聯(lián)系在一起來解釋頭發(fā)快速變白的原因，但針對這一現(xiàn)象發(fā)生背后的生物學(xué)機(jī)制尚不完全清楚。來自哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表于2020年1月Nature雜志的研究成果，對這一令人著迷的現(xiàn)象進(jìn)行了深入的探討，并入選Nature雜志2020年“十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。

頭發(fā)的顏色由稱為黑色素細(xì)胞的細(xì)胞決定。黑色素細(xì)胞由“定居”于毛囊內(nèi)的黑色素細(xì)胞干細(xì)胞分裂而成。隨著年齡的增長，這些干細(xì)胞逐漸消失。“衰亡”的黑色素細(xì)胞不再有新的細(xì)胞更換。那么從毛囊中長出的頭發(fā)就會缺少色素，進(jìn)而形成白發(fā)。而壓力引起的全身各器官組織的變化中，頭發(fā)加速變白成為了較為明顯的組織變化之一，也成為該課題研究很好的入手點(diǎn)。這項(xiàng)研究通過精神壓力引起白發(fā)這個現(xiàn)象，從黑色素干細(xì)胞入手，通過一系列巧妙、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深入地探討了精神壓力是如何通過影響成黑色素干細(xì)胞大量的增殖遷移，進(jìn)而導(dǎo)致頭發(fā)變白。該研究的重要意義在于：首次在細(xì)胞和分子層面清晰地證明了壓力應(yīng)激導(dǎo)致白發(fā)的生物學(xué)機(jī)制，一方面為了解壓力如何影響我們身體外周器官的變化提供了很好的研究范例；另一方面，在壓力應(yīng)激如此復(fù)雜的當(dāng)今社會，為尋找如何阻止和逆轉(zhuǎn)壓力導(dǎo)致白發(fā)的方法提供了有力線索，具有重要的參考價值。

研究者以黑色小鼠為研究對象，發(fā)現(xiàn)輕度短期疼痛、心理壓力和運(yùn)動受限三種不同的壓力模式均會引起黑色素干細(xì)胞的顯著丟失和毛發(fā)變白。研究者推測了壓力引起毛發(fā)變白的可能的三種機(jī)制：免疫攻擊、皮質(zhì)酮和去甲腎上腺素。首先，研究者使用免疫系統(tǒng)缺陷的小鼠和皮質(zhì)酮受體基因敲除小鼠，在壓力模式下，這兩種小鼠依舊會毛發(fā)變白，排除了免疫系統(tǒng)和應(yīng)激激素—皮質(zhì)酮的參與。最終，研究人員將焦點(diǎn)聚焦在了去甲腎上腺素。通過將去甲腎上腺素注射到未受壓的小鼠皮膚下，發(fā)現(xiàn)其能引起黑色素細(xì)胞干細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致毛發(fā)白化。表明去甲腎上腺素是壓力誘發(fā)毛發(fā)變白的關(guān)鍵。研究者通過摘除小鼠腎上腺，但小鼠毛發(fā)在壓力模式下依舊變白，排除了腎上腺來源去甲腎上腺素對毛發(fā)的影響。至此，與壓力應(yīng)激非常密切的交感神經(jīng)系統(tǒng)釋放的去甲腎上腺素成為了關(guān)鍵的因素。研究者們證明了毛囊隆起區(qū)域是由交感神經(jīng)元高度支配的，交感神經(jīng)伸入每個毛囊，并在壓力刺激下釋放去甲腎上腺素。當(dāng)研究人員追蹤用熒光蛋白標(biāo)記的黑色素干細(xì)胞時，他們發(fā)現(xiàn)黑色素干細(xì)胞的增殖和分化在極端壓力或暴露于高水平去甲腎上腺素下顯著增加，這導(dǎo)致黑色素細(xì)胞從隆起處大量遷移，在壓力模式刺激幾天后，毛囊中所有的黑色素干細(xì)胞基本都“丟失”了。而一旦它們消失，黑色素細(xì)胞就無法得到更換，從而色素生成受阻，無法使頭發(fā)著色，最終導(dǎo)致長出的新毛發(fā)變?yōu)榘咨⑶疫@種損害是永久性的。

我國在壓力應(yīng)激領(lǐng)域的研究非常活躍，許多團(tuán)隊(duì)在壓力應(yīng)激的生物學(xué)機(jī)制方面已經(jīng)發(fā)表了很多高水平的研究成果，但研究相對集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)。近些年來，國內(nèi)的一些研究團(tuán)隊(duì)相繼在壓力應(yīng)激下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)外周免疫、骨代謝等方面取得了一些代表性成果，但中樞如何影響外周系統(tǒng)或器官的功能變化尚待系統(tǒng)開展研究，并深入挖掘。隨著越來越多不同學(xué)科背景學(xué)者對壓力應(yīng)激這個領(lǐng)域的關(guān)注，中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何通過壓力應(yīng)激影響外周免疫、皮膚衰老、骨質(zhì)疏松、腫瘤的發(fā)生發(fā)展等領(lǐng)域?qū)⑷〉酶嘈碌耐黄菩赃M(jìn)展，這將為全面理解壓力應(yīng)激的生物學(xué)機(jī)制提供嶄新的視角。

來源：國家自然科學(xué)基金委員會