挑食、亂倫、用AI認樹……這是今年Nature欽點的十大研究

楊淨 蕭簫 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

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。

來自宇宙深處的信號——「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」信號，2007年第一次發現，直至最近才逐漸被批量化的發現，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臺、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、中科院天文臺攻讀碩博學位。

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。

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。

壓力是如何讓頭髮變白的

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。

那麼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。（手動狗頭）

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存儲庫。

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。

宇宙物質起源的證據被發現

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蕩頻率不一樣。在300公裡的行程中，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。

冷凍電鏡達到原子解析度

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，因為其高解析度的特徵，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，刷新了冷凍電鏡解析度記錄——1.2埃，1埃相當於0.1納米，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。

這一裡程碑式的突破，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。

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，來自美國埃默裡大學的科學家們，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，成功激活了恆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的猴子的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信號分子白介素-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。

為維繫血統，史前精英也亂倫

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精英建造的，這位權貴可能借著能「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，研究人員發現了，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信息。

幹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型幹擾素（IFN）缺失在重症COVID-19患者中扮演的重要角色。

幹擾素，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，幹擾素缺乏最直接的結果，就是會讓病毒不受控制的複製和擴散。但對免疫系統會產生其他什麼後果。

這兩篇研究就進行了解答，他們分別從兩個角度報導了I型幹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型幹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型幹擾素自身中和性抗體。

這一發現為患者的篩查、治療幹預提供了一種方向。

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，另一種是不挑食的果蠅。

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——RISPR-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要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的胺基酸序列，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。

南極上空臭氧層空洞有望完全癒合

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年籤署了《蒙特婁議定書》，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《蒙特婁議定書》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。

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信息，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解析度欠佳。

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1.1萬張解析度為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，這個團隊藉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茅利塔尼亞南部、塞內加爾、馬斯裡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：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-8

— 完 —

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