2020年十大重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)：低溫電子顯微鏡打破原子分辨率障礙

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2020年注定是不平凡的一年，新冠疫情或許讓我們放慢了腳步，但科技的發(fā)展永不止步。轉(zhuǎn)眼間，2020年已接近尾聲，英國《自然》網(wǎng)站在近日評出了今年十大重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中最后一項是本年度最受歡迎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

1.宇宙中物質(zhì)起源之謎的首個佐證

粒子-反粒子鏡像對稱性也被稱為電荷共軛宇稱反演對稱(CP對稱)。被稱為費米子的基本粒子群包括含有電子、繆子、陶子和中微子等基本粒子的輕子。日本T2K中微子合作組研究發(fā)現(xiàn)，輕子中存在CP對稱性破缺。該破缺難以捕捉觀察，但可用中微子來搜索。中微子有三種類別(“味道”)，這取決于其相關(guān)的帶電輕子(電子、繆子、陶子)，它們可以在傳播過程中從一種“味道”轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N“味道”。

研究證明，繆子型中微子轉(zhuǎn)變成電子型中微子的概率高于繆子型反中微子轉(zhuǎn)變成電子型反中微子的頻率，有跡象顯示正反中微子行為存在差異。這可能是解釋宇宙中物質(zhì)稍多于反物質(zhì)起源的第一個佐證。

2.《蒙特利爾議定書》“愈合”臭氧“傷口”

20世紀(jì)80年代中期，南極上空春季大氣臭氧層出現(xiàn)空洞的發(fā)現(xiàn)表明了消耗臭氧層物質(zhì)的人為排放對臭氧層構(gòu)成的威脅。南極臭氧層空洞位于大約10—20公里的高度，不僅影響了南半球的大氣環(huán)流，還使中緯度急流和熱帶邊緣的干旱區(qū)域向南極方向推移。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨后的修正案禁止生產(chǎn)和使用消耗臭氧層的物質(zhì)。因此，大氣中消耗臭氧層物質(zhì)的濃度正在下降，臭氧層恢復(fù)的初步跡象已經(jīng)出現(xiàn)。

研究顯示，自臭氧恢復(fù)開始以來，與空洞相關(guān)的環(huán)流效應(yīng)已經(jīng)暫停，這種作用是各國履行《蒙特利爾議定書》的直接結(jié)果。

3.衛(wèi)星可能很快會繪制出地球上每一棵樹

馬丁·勃蘭特等人報告了對覆蓋西非撒哈拉和薩赫勒地區(qū)130多萬平方公里的高分辨率衛(wèi)星圖像的分析，他們繪制了大約18億個樹冠的位置和大小。而在此之前，科學(xué)家從未在如此大的區(qū)域內(nèi)以如此詳細的程度繪制過樹木的地圖。商業(yè)衛(wèi)星已經(jīng)開始收集數(shù)據(jù)，能夠捕獲一平方米或更小的地面物體。這使陸地遙感領(lǐng)域開始了一次根本性的飛躍：從專注于綜合景觀尺度的測量，到有可能在大的區(qū)域或全球尺度上繪制每棵樹的位置和樹冠大小的地圖。這一進展無疑將推動我們思考、監(jiān)測、建模和管理全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式發(fā)生根本性變化。

4.“貴圈真亂”：愛爾蘭史前精英墓地發(fā)現(xiàn)亂倫

愛爾蘭的紐格萊奇墓已有5000年的歷史，這座大型精美古墓被認為是給一位權(quán)貴精英建造的。勞拉·M·卡西迪等人研究了農(nóng)耕聚落的社會結(jié)構(gòu)，并把重點放在了埋葬在通道墓穴中的人。建造紐格萊奇墓采用了復(fù)雜的工程，以確保在每年冬至日前后，在長長的石砌通道盡頭，一間墓室會被朝陽照亮幾分鐘。在那里發(fā)現(xiàn)的人類遺骸中的古代DNA揭示了一種出乎意料的極其罕見的亂倫事件。大約5000年前，一名男子被埋葬在紐格萊奇墓中，他是一級亂倫婚姻的后代：他的父母要么是親兄弟姐妹，要么是母子或父女。這一發(fā)現(xiàn)讓研究小組推測，長眠在這座宏偉的古墓中的精英們將亂倫作為維系王室血統(tǒng)的一種方式。

5.“激活并殺死”潛伏在細胞中的艾滋病病毒

HIV(艾滋病病毒)可能以一種潛伏的形式隱藏在細胞中，幾乎不轉(zhuǎn)錄或根本沒有轉(zhuǎn)錄，因此免疫系統(tǒng)無法檢測到它。科學(xué)家設(shè)計的“激活并殺死”療法旨在逆轉(zhuǎn)這種潛伏期并增加病毒基因的表達(激活)，使隱藏著病毒的細胞容易被免疫系統(tǒng)殺死。兩篇研究論文描述了對動物模型的獨特干預(yù)。其中一篇由尼克松等人完成，他們使用了一種名為AZD5582的藥物，該藥物可激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(HIV-1基因表達的主要促進劑)。另一篇由麥克布萊恩等人完成，他們將兩種免疫干預(yù)相結(jié)合：抗體介導(dǎo)的CD8+淋巴細胞(降低病毒轉(zhuǎn)錄水平的免疫細胞)和一種名為N-803的可激活HIV-1轉(zhuǎn)錄的藥物。這兩種干預(yù)治療方式可能是迄今為止最強勁和可再現(xiàn)的病毒潛伏期中斷。此外，該研究還展示了與藥理潛伏期逆轉(zhuǎn)相關(guān)的概念和技術(shù)挑戰(zhàn)。

6.果蠅為何挑食?基因編輯工具揭秘

名為Drosophilasechellia的果蠅是黑腹果蠅的近親，它只以有毒的諾麗果(海巴戟果)為食。

與它的食物多面手親戚相比，是什么讓這個物種如此挑食呢?托馬斯·O·奧爾等人使用基因編輯工具CRISPR-Cas9破獲了這起案件。研究發(fā)現(xiàn)，這種果蠅的一種表達氣味受體蛋白Or22a的感覺神經(jīng)元比其他果蠅種類更豐富，該種蛋白的氨基酸序列的微小變化導(dǎo)致了果蠅對諾麗果的偏愛。研究人員還確定了其他一些進化變化，這些變化可能導(dǎo)致這種看似簡單的行為轉(zhuǎn)變。看來，即使是喜歡惡臭水果的小蒼蠅也能為我們了解大腦是如何進化來塑造復(fù)雜行為提供強大見解。

7.銀河系未解之謎：快速射電暴來源首次確定

發(fā)表在《自然》雜志上的三篇論文中，科學(xué)家首次確定了一個快速射電暴在銀河系內(nèi)的起源。有趣的是，快速射電暴還伴隨著一連串的X射線。這一發(fā)現(xiàn)是通過將多臺天基和陸基望遠鏡的觀測拼湊在一起而獲得和理解的。“快速射電暴”這個名字很好地描述了它們的含義：持續(xù)時間大致在毫秒級的明亮無線電波爆發(fā)?？焖偕潆姳┦状伟l(fā)現(xiàn)于2007年，它們的短命特性使得探測它們和確定它們在天空中的位置變得具有挑戰(zhàn)性。這是第一個探測到無線電波以外的輻射的快速射電暴，且是第一個在銀河系中被發(fā)現(xiàn)的，同時也是第一個與被稱為磁星的恒星殘留物有關(guān)的快速射電暴，這證明了磁星可以是快速射電暴的起源。

8.干擾素缺乏可能導(dǎo)致新冠重癥

在干擾素誘導(dǎo)途徑中有基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，擁有干擾素-α和干擾素-ω中和抗體的人可能會從提供其他類型干擾素的治療中受益，如干擾素-β和干擾素-λ。

發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文揭示了一個新冠肺炎是否繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究表明，干擾素蛋白，特別是I型干擾素存在缺陷可能是由于編碼關(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“中和”干擾素而導(dǎo)致的。I型干擾素的應(yīng)答缺陷是如何導(dǎo)致危及生命的新冠肺炎的?最直接的解釋是I型干擾素缺乏導(dǎo)致了病毒復(fù)制和傳播失控。然而，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統(tǒng)功能產(chǎn)生其他后果。

9.里程碑：低溫電子顯微鏡打破原子分辨率障礙

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個基本原理是，一旦研究人員能夠直接觀察到足夠詳細的大分子，就應(yīng)該有可能理解它們的三維結(jié)構(gòu)是如何賦予它們生物學(xué)功能的。科學(xué)家在《自然》上發(fā)文報告了使用名為單粒子低溫電子顯微鏡而獲得的最清晰的圖像，這使得首次確定蛋白質(zhì)中單個原子的位置成為可能。研究人員推動了低溫電磁硬件的發(fā)展，也推動了單粒子低溫電磁分辨率的重大進步。每個研究團隊都使用硬件來處理低溫電磁成像的不同方面，以前，這些方面限制了可達到的分辨率。利用這些技術(shù)，低溫電磁圖像信噪比的提高將擴大該技術(shù)的適用性。也許這些技術(shù)的融合將使我們甚至能以超過一埃的分辨率來確定低溫電磁結(jié)構(gòu)，而這在以前看起來似乎是不可能的。

10.“壓力山大”之下，頭發(fā)真的會變白

一夜白頭或許確有其事，人們通常認為這極有可能是由壓力引起的。頭發(fā)的顏色是由黑素細胞決定的，黑素細胞來自毛囊中被稱為毛囊凸起部分的黑素細胞干細胞。張冰(音譯)等人發(fā)表在《自然》雜志上的研究報告表明，去甲腎上腺素(一種參與對壓力的“戰(zhàn)斗或逃跑”反應(yīng)的神經(jīng)遞質(zhì)分子)是從支配突起的交感神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中釋放出來的。極端壓力下或暴露于高水平的去甲腎上腺素時，黑素細胞干細胞的增殖和分化顯著增加，導(dǎo)致黑素細胞大量遷移而離開凸起，并且沒有剩余的干細胞來替代它們，這導(dǎo)致了干細胞的衰竭，從而引起頭發(fā)變灰進而變白。這一發(fā)現(xiàn)首次揭示了壓力引起白發(fā)這一現(xiàn)象的具體機制。除了抗衰老療法的開發(fā)，該團隊的研究工作將有望更好地幫助理解壓力是如何影響其他干細胞池及細胞龕位置的。(實習(xí)記者 張佳欣)

圖片來源：《自然》網(wǎng)站

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