挑食、亂倫、用AI認(rèn)樹……這是今年Nature欽點的十大研究

楊凈 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

這是Nature評選出來的“2020年度10項最重大發(fā)現(xiàn)”：

壓力使人白頭、果蠅為何挑食、史前精英亂倫……

就這？我不信。

細(xì)看研究后才發(fā)現(xiàn)，這些評選出來的科學(xué)成果并不如想象中那么簡單。

來自宇宙深處的信號——「快速射電暴」

時下最受關(guān)注，但尚未得到解釋的新現(xiàn)象，當(dāng)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(fā)出超過整個星系的光源。

遙遠(yuǎn)、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(fā)現(xiàn)，直至最近才逐漸被批量化的發(fā)現(xiàn)，而探索它的來源成為天文界的目標(biāo)之一。

來自加拿大CHIME望遠(yuǎn)鏡、加州理工學(xué)院歐文斯谷射電天文臺、以及中國「天眼」團(tuán)隊，同期發(fā)表在Nature。

中國的這項研究，第一作者為北京師范大學(xué)林琳講師，觀測結(jié)果來自中國的射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。

她本科畢業(yè)于南京大學(xué)天文系，隨后在清華大學(xué)、中科院天文臺攻讀碩博學(xué)位。

三項觀測研究證實，極強(qiáng)磁場中子星（磁星）是快速射電暴的來源之一。

這是天文學(xué)家第一次觀測到位于銀河系內(nèi)的快速射電暴，也是目前唯一被觀測驗證的可以產(chǎn)生快速射電暴的天體。

壓力是如何讓頭發(fā)變白的

日常生活里有一個經(jīng)驗常識，那就是「壓力使人白頭」，但一直都未曾有過科學(xué)證實。

那么來自哈佛大學(xué)許雅捷團(tuán)隊，就首次揭示了「壓力引起白發(fā)」這一機(jī)制是如何發(fā)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(guān)注。

許雅捷團(tuán)隊主要針對的是戰(zhàn)斗、逃避這兩種狀態(tài)下的壓力情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩種情況中，壓力激活了交感神經(jīng)?（用來精細(xì)調(diào)節(jié)器官），這會對毛囊中的色素再生干細(xì)胞造成永久性損害。

具體實現(xiàn)路徑是，交感神經(jīng)延伸到皮膚上的每個毛囊中，壓力會使神經(jīng)釋放出去甲腎上腺素。

這種物質(zhì)會被附近的色素再生干細(xì)胞吸收，導(dǎo)致這些干細(xì)胞被過度激活，提前轉(zhuǎn)化為色素產(chǎn)生細(xì)胞，過早地耗盡了這種干細(xì)胞存儲庫。

研究人員發(fā)現(xiàn)，幾天之后，所有的色素再生干細(xì)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(zhì)起源的證據(jù)被發(fā)現(xiàn)

宇宙誕生于一次大爆炸，但大爆炸之后，究竟發(fā)生了什么？

例如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律是對稱的，因此大爆炸產(chǎn)生的正物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該一樣多。

但只要正物質(zhì)撞上反物質(zhì)，就會“灰飛煙滅”，如果正反物質(zhì)一樣多，宇宙就不會有質(zhì)子電子，不會有原子，更不會有生命誕生。

是什么打破了宇宙對稱性？

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(xué)家發(fā)現(xiàn)了正物質(zhì)擊敗反物質(zhì)的原因之一。

科學(xué)家們第一次發(fā)現(xiàn)，中微子存在CP對稱性破壞的現(xiàn)象，也就是說，中微子和它的反粒子振蕩頻率不一樣。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(yīng)地低于預(yù)期。

這實際上暗示了，更大的不對稱性正在早期的宇宙中發(fā)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(xué)家們組成的T2K團(tuán)隊，耗時10年觀察得到的結(jié)果。

冷凍電鏡達(dá)到原子分辨率

光看這幾個字，就聽到了生物學(xué)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征，是用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)中繪制蛋白質(zhì)3D形狀圖譜的主導(dǎo)工具之一（其余常用的兩種：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(biāo)本。

今年10月，Nature同期發(fā)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(dāng)于0.1納米，達(dá)到了單個原子水平。

其中一個團(tuán)隊表示，他們可以分辨出蛋白質(zhì)和周圍水分子中的單個氫原子。如果在對這個技術(shù)改進(jìn)，或許可以達(dá)到1埃。

這一里程碑式的突破，也被Nature稱之為「打開全新宇宙」，有助于研究人員了解蛋白質(zhì)的生理和病理機(jī)制，并有助于開發(fā)出副作用更少、效果更好的藥物。

激活并殺死艾滋病毒

在印象中，艾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(xì)胞（靜息CD4+T細(xì)胞）內(nèi)，平時不表達(dá)。

就連最新的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法（ART）也拿艾滋病毒沒轍。

今年1月，來自美國埃默里大學(xué)的科學(xué)家們，就想出了新辦法：先激活潛伏在免疫細(xì)胞里的病毒，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(nèi)的猴免疫缺陷病毒，以及人源化小鼠體內(nèi)的HIV病毒。

第一種方法，將藥物AZD5582與抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法進(jìn)行結(jié)合，成功激活了12只感染HIV或SIV的猴子的T淋巴細(xì)胞中的病毒，使得這兩種病毒的RNA在血液和組織中表達(dá)。人源化小鼠體內(nèi)所有組織中的HIV，同樣被強(qiáng)烈誘導(dǎo)。

第二種方法，則是采用抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法結(jié)合N-803藥物的方法。這種藥物可以激活免疫響應(yīng)必不可少的信號分子白介素-15，同時能清除抑制病毒轉(zhuǎn)錄的CD8+淋巴細(xì)胞，引起體內(nèi)病毒的持續(xù)活化。

這項研究表明，逆轉(zhuǎn)潛伏方法與適當(dāng)藥物相結(jié)合，可以極大地增加根除HIV的機(jī)會。

為維系血統(tǒng)，史前精英也亂倫

精英亂倫實錘！這次是墓地里發(fā)現(xiàn)的。

今年6月，來自愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué)的Cassidy等研究人員，在愛爾蘭的紐格萊奇墓發(fā)現(xiàn)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，在建筑設(shè)計時，工程師采用了復(fù)雜的技術(shù)，確保位于狹長石板通道盡頭的墓室，能在每年冬至前后的日出時分被照亮幾分鐘。

在當(dāng)時，建造這種陵墓要耗費不少人力，因此，研究者們認(rèn)為，這是給一位史前的權(quán)貴精英建造的，這位權(quán)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(jìn)行分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)了，葬于陵墓中的這位男性，是一級親屬亂倫的后代。也就是說，他的父母要么是親兄弟姐妹，要么是母子或父女。

研究人員推測，這座宏偉古墓里的權(quán)貴曾經(jīng)把亂倫當(dāng)做維系王室血統(tǒng)的方式。

當(dāng)然，這份報告并不僅于此。

此外，報告還涉及了一些其他重要發(fā)現(xiàn)，如愛爾蘭石器時代人群的孤立性、新石器時代農(nóng)耕群體的遷入，及農(nóng)業(yè)人口與漁獵愛爾蘭原住民之間的關(guān)系等，并根據(jù)碳同位素，獲取了有關(guān)史前人類的飲食信息。

干擾素缺乏引發(fā)新冠重癥

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(fā)表在Science上的研究。

來自美國、法國的研究人員發(fā)現(xiàn)，I型干擾素（IFN）缺失在重癥COVID-19患者中扮演的重要角色。

干擾素，是動物細(xì)胞受到病毒感染后分泌的特異性糖蛋白，它具有抗病毒、抑制細(xì)胞增殖、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和抗腫瘤的作用。

因此，干擾素缺乏最直接的結(jié)果，就是會讓病毒不受控制的復(fù)制和擴(kuò)散。那么，對免疫系統(tǒng)會產(chǎn)生其他什么影響呢？

這兩篇研究就進(jìn)行了解答，他們分別從兩個角度報道了I型干擾素缺失對新冠肺炎重癥患者的影響。

一是，至少3.5%重癥患者存在與I型干擾素相關(guān)的常染色體遺傳的基因位點突變。

二是，至少10％重癥患者體內(nèi)存在針對I型干擾素自身中和性抗體。

這一發(fā)現(xiàn)為患者的篩查、治療干預(yù)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，另一種是挑食的果蠅。

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

于是，來自瑞士洛桑大學(xué)的研究人員，就利用今年獲諾獎的技術(shù)——CRISPR-Cas9基因編輯，來研究果蠅的挑食行為。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有一種氣味受體蛋白Or22a在挑食果蠅的感覺神經(jīng)元表達(dá)要比不挑食果蠅更豐富，從而導(dǎo)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。

南極上空臭氧層空洞有望完全愈合

80年代，人們發(fā)現(xiàn)，因過度使用氟利昂等氯氟烴類制冷劑（冰箱、空調(diào)用的），導(dǎo)致南極上空的臭氧層出現(xiàn)了一個空洞。

臭氧層主要作用是吸收紫外線，其缺失除了導(dǎo)致紫外線抵達(dá)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(dǎo)致南半球大氣層中高速氣流南移，這會帶走大量雨水，導(dǎo)致地區(qū)干旱。

因此，聯(lián)合國于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(lǐng)導(dǎo)的、來自NOAA的團(tuán)隊，利用各種模型模擬的結(jié)果表明，南半球高速氣流已經(jīng)暫時停止南移，甚至略有逆轉(zhuǎn)，這確實是臭氧層恢復(fù)導(dǎo)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(xiàn)象持續(xù)下去，臭氧層空洞到本世紀(jì)中葉將有機(jī)會完全愈合。

用AI和衛(wèi)星進(jìn)行「全球樹木普查」

來自丹麥哥本哈根大學(xué)和NASA的Brandt等人組成的研究團(tuán)隊，利用衛(wèi)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(dāng)中的意義，自然不必言明。我們對陸地生態(tài)系統(tǒng)的定義，很大程度上取決于在上面生長的木本植物。如果能掌握這些植被結(jié)構(gòu)的信息，人類才能更好地了解全球生態(tài)、生物地理環(huán)境。

當(dāng)前，大部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率欠佳。

一張圖像像素對應(yīng)的土地面積最小也是100m2，這樣就讓研究人員要多干很多活兒。

比如在觀測的同時，還要測量綜合性質(zhì)，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(xiàn)實。

因此，這個團(tuán)隊借助人工智能完成了這項工作。

基于樹木的特征，讓AI在更大的圖像中識別它們，訓(xùn)練數(shù)據(jù)同樣采用衛(wèi)星圖像。

研究人員最終得到了整個毛里塔尼亞南部、塞內(nèi)加爾、馬斯里南部地區(qū)所有直徑大于兩米的樹木地圖，清晰展示了將來在亞米級尺度上繪制全球樹冠地圖的潛力。

10大發(fā)現(xiàn)傳送門：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-8