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又长一岁,人类收获这些新知识

2018-01-11 21:37:54 来源:美高梅娱乐新闻网

当我们感叹时光飞逝时,未来已近在眼前。在刚刚谢幕的2017年,遥远太空中两颗中子星的碰撞沸腾了整个天文界,这是人类首次“看到”引力波;生命科学持续升温,冷冻电镜技术、基因疗法、精准基因编辑、广谱抗癌药,人类不断拓宽着对生命的认知……

前不久,《科学》杂志评选出2017年十大科学突破,除了上述振奋人心的消息,发现新种类人猿、生物学预印本兴起、找到最古老冰芯、人类起源新发现、便携式中微子探测器等同样带给人们惊喜。《深读·新知》特邀我省有关专家,对2017年这些激动人心的科学发现逐一回顾和解读。

首次“看到”引力波

2017年8月17日,从遥远太空传来的短短一瞬的信号,沸腾了整个天文界——人类第一次探测到双中子星合并产生的引力波信号。此前,科学家也曾探测到来自两个黑洞合并时产生的引力波,但因黑洞是大型恒星塌缩而成,内部没有可以升温和辐射的物质,因此人们只能“听”到引力波却难睹其真容。相比之下,双中子星的合并不但会产生引力波,还会抛射物质并产生各种电磁信号,更像是一场宇宙展现在人类面前的“视听盛宴”。

燕山大学理学院应用物理系教师吴一东:大约一百年前,爱因斯坦提出的广义相对论,就从理论上预测了引力波的存在。2017年8月17日观测到的引力波,是由两个中子星合并形成的,并会伴随发出电磁波,于是科学家就可以同时对引力波和电磁波进行观测,即用望远镜“看到”引力波。这样,通过引力波探测和传统天文探测的“并肩作战”,科学家开启了多信使天文学的新时代。

发现新种类人猿

2017年,在印度尼西亚苏门答腊岛北部的森林中,人类发现了新的近亲:打巴奴里猩猩(Pongo tapanuliensis)。此前,科学家们一直把它们当作苏门答腊猩猩的一个种群,但在大规模的研究后,人们发现打巴奴里猩猩的颅骨、牙齿、下颌与其他猩猩有显著区别,毛发更卷、胡子更长,基因也有明显差异,应独立成种。这也是继倭黑猩猩、黑猩猩、两种大猩猩、两种猩猩和人类外,人科物种迎来的第8位新成员。

美高梅娱乐师范大学生命科学学院教授葛荣朝:上一次人类发现类人猿新物种,已经是将近90年前的事了。新发现的打巴奴里猩猩,是自婆罗洲猩猩和苏门答腊猩猩之后,猩猩属的第三个成员。目前,全球只有约800只打巴奴里猩猩生活在一片孤立的森林中,这种濒危的物种正在使科学家重新思考猩猩属的演化轨迹,并思考如何区分物种、制定政策,保护古老而特殊的生物类群。

在原子水平观察生命

俗话说“百闻不如一见”,人类理解事物的主要途径就是想尽办法去“看清”它们。过去,电子显微技术被认为只适合观测部分物质,因为高强度的电子束会摧毁大量表面敏感的材料,导致其图像模糊。但冷冻电镜的出现却打破了这一桎梏,通过冷冻手段抑制生物大分子的运动,此项技术令科学家们“眼界大开”,并对剪接体的功能、蛋白质在细胞周期中如何重塑细胞膜、酶如何修复DNA损伤等,有了更清晰的了解。

燕山大学理学院应用物理系教授苏计国:生物体的众多生命活动过程,都离不开生物大分子的精巧工作。自20世纪60年代以来,X射线晶体衍射和核磁共振技术是在原子尺度上解析生物大分子空间结构的主要手段,但前者需将样品结晶,后者只能用于小分子量的体系。冷冻电镜技术突破了上述弱点,通过将样品进行快速冷冻,利用波长非常短的电子波进行高分辨成像获取生物大分子原子层面的结构,已成为在原子水平上研究生命微观过程的有力武器。

生物学预印本兴起

预印本,是指未经同行评审就上传至公共平台供人查阅的论文草稿。2017年,生物学领域的预印模式快速发展,数以千计的生物学家将尚未经过同行评议的论文在线发表,美国和英国也推出了鼓励预印共享的政策。现在,大多数学术期刊都允许作者提交预印本论文,一些编辑还会在免费生物学预印服务器——bioRxiv上,搜索可供出版的论文。

燕山大学理学院应用物理系教授苏计国:当一名科学家的研究工作有了重要发现,传统做法是将论文草稿提交到某一学术期刊,通过同行评议,然后进行公开发表,但这一过程往往要持续数月甚至数年时间。现在科学家有了新选择,通过提交预印本,即可将研究成果第一时间向全世界公布。预印本有助于年轻科学家迅速建立学术声誉,已在生物学界引起科学交流方式的重大变化。

精准基因编辑

超过6万个遗传畸变与人类疾病有关,其中,有近3.5万个是由最微小的错误造成的:基因组中特定位点的某一个DNA碱基发生了变化。2017年,研究者宣布了“碱基编辑”新技术中一项重要的改进,不仅可在DNA,而且能在RNA中修正这种点突变。哈佛大学华裔科学家刘如谦是这项研究的先锋人物,他的团队开发了一个碱基编辑器,能在不切断DNA的情况下,在特定位点解开DNA,用化学方法替换单个碱基。

省科学院生物研究所研究员宋水山:人类的很多疾病与遗传物质DNA有关,近几年,炙手可热的CRISPR/Cas9基因编辑技术可以删减、替换和修复基因,为治愈人类遗传疾病带来希望。但CRISPR/Cas9基因编辑技术依赖于切断靶标DNA,可能对DNA双链结构造成破坏,另外CRISPR/Cas9还存在脱靶效应,由此也带来了应用上的安全顾虑。刘如谦团队开发的碱基编辑器,可实现“点对点”修复基因突变,这在未来人类基因治疗中具有巨大的应用潜力。

广谱抗癌药走向临床

人们一直期待着有这样一种治疗癌症的药物:它不针对某个特定的癌症发病器官,而是根据癌细胞的DNA,无差别地进行治疗。2017年5月,美国食品与药品监督管理局(FDA)批准了一款广谱抗癌药——Keytruda。此前,该药已获批治疗黑色素瘤和少数几种其他肿瘤,现在,它还可用于治疗儿童和成人的任何包含错配修复缺陷的晚期实体肿瘤。

美高梅娱乐医科大学第二医院药学部主管药师徐敬朴:Keytruda的获批是人类精准医疗史上迈出的重大一步,这是FDA第一次放弃肿瘤的组织来源,按照分子特征来区分肿瘤类型,因此该药也被称为广谱抗癌药。需要注意的是,这里所说的“广谱”并不是指适用于任何肿瘤患者,而是指其适应症不再是局限于某一部位的肿瘤,如肺癌、结直肠癌等,其适用前提为癌细胞必须具有“错配修复缺陷”。与传统的广谱化疗药相比,该药的不良反应也会较少。

发现270万年前古老冰芯

如何“穿越”回270万年前的地球?“钥匙”就冰封在南极冰层下一个个微小的气泡中。2017年,普林斯顿大学和缅因大学的研究者宣布,他们获取了保存着270万年前地球大气的南极冰块,这比此前最古老的冰芯还要早170万年,从而将地球气候历史又向前推到一个非常重要的时期——那时,冰河时代才刚刚开始,大气中的二氧化碳浓度在300ppm以下,远低于今天的400ppm。尽管这与当时某些间接记录存在矛盾,却也证实了气候模型的预测,即在这样的低浓度下,地球会进入冰期循环。

省科学院地理科学研究所高级工程师张可慧:在地球环境40多亿年漫长的演变历史中,气候为什么总是冷暖交替变化,其中又有哪些规律和特征,一直是人类不断探索的难题。与浅海动物化石、古土壤、泥炭、孢粉等古气候代用指标相比,冰芯能记录更为久远的古气候大气组成、温度、降水等信息。此次科学家找到了270万年前冻结的南极冰芯,对于人类恢复古气候情景,正确估测现代气候状态,合理评估现代人类活动对气候变化的影响及准确预测未来气候变化等,都具有重要意义。

发现“30万岁”智人化石

一个摩洛哥洞穴中长期被忽视的头骨,将我们这一物种(智人)的化石记录又向前推移了一大步。这块头骨于1961年由矿工发现,曾被认为属于非洲的尼安德特人,因其又呈现出一些现代特征,如脸是收拢在头骨下方而不是向前突出等,再次引起了科学家的探究兴趣。重新发掘该头骨的发现地,研究人员惊叹这批化石的“年龄”竟达30万岁,这比此前在埃塞俄比亚发现的、被广泛认为最古老的智人化石年代,还早了约10万年。

美高梅娱乐师范大学历史文化学院副教授牛东伟:现代人起源问题是人类起源研究的重要组成部分,近些年来,有关早期现代人的发现和研究呈突飞猛进之势。此次发现的智人化石,是目前世界上已知最早的拥有精确定年的早期现代人化石,演化链条在时间上进一步拉长。此外,化石发现地位于北非的摩洛哥,空间范围进一步扩展,表明智人的演化过程并不仅仅发生在东非,而是涉及整个非洲大陆。

基因治疗的胜利

一项临床试验的“小”成功,推动了基因治疗领域的大发展。脊髓性肌肉萎缩症1型(SMA1)是导致婴儿死亡的最常见遗传疾病之一,即使进行治疗,绝大多数患儿也活不过20个月。SMA1患者体内,一种名为SMN的蛋白质因编码基因SMN-1的功能缺失而异常,而SMN蛋白对运动神经元的存活至关重要。2017年,研究人员报告称,通过腺相关病毒9型(AAV9)为载体的基因疗法将编码SMN蛋白所需的基因注入患儿体内,成功延长了15名SMA1患儿的生命。目前,美国食品与药品监督管理局已正式批准其上市。

美高梅娱乐医科大学教授汪治宇:这项技术的关键涉及一种腺相关病毒(AAV)。这是一类结构最简单的单链DNA缺陷型病毒,需要辅助病毒(通常为腺病毒)参与复制。这项临床试验的重大意义在于,研究者可以利用这一基因疗法保护大脑和脊髓免受血液传播病原体和毒素的伤害,或者治疗其他神经退行性疾病。同时,该技术的成功也宣告了基因治疗时代的到来。

便携式中微子探测器

中微子产生于特定的核反应过程,与其他物质相互作用极少,因此尽管有无数的中微子不断穿过地球,却一直很难探测。1974年,理论物理学家预测称,如果一个中微子的能量足够低,就可被视为一种量子波,能反射原子核中所有的质子和中子,同时产生可被探测到的反冲。2017年,使用一台重量仅仅和微波炉差不多的便携式探测器,研究者便发现了最难以琢磨的亚原子粒子——中微子,实现了跨越40年之久的探索目标。

燕山大学理学院应用物理系教师吴一东:中微子又被称为“幽灵粒子”,在之前的中微子探测中,通常要使用非常巨大的探测器来增加中微子与物质发生反应的概率,如日本的超级神冈探测器就重达5万吨。由于中微子在传播过程中几乎没有损耗,可以直接透过地球,便携式中微子探测器的出现使利用中微子通信成为可能,即在不用卫星和微波站的情况下,实现地球上任意两点间的沟通联系。