挑食、乱伦、用AI认树……这是今年Nature钦点的十大研究

杨净 萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

这是Nature评选出来的“2020年度10项最重大发现”：

压力使人白头、果蝇为何挑食、史前精英乱伦……

就这？我不信。

细看研究后才发现，这些评选出来的科学成果并不如想象中那么简单。

来自宇宙深处的信号——「快速射电暴」

时下最受关注，但尚未得到解释的新现象，当属「快速射电暴」了。

几十亿光年外的某种光源，在毫秒级别的瞬间，发出超过整个星系的光源。

遥远、短暂、明亮，这就是「快速射电暴」的代名词。

这一个来自宇宙深处的「闪电般」信号，2007年第一次发现，直至最近才逐渐被批量化的发现，而探索它的来源成为天文界的目标之一。

来自加拿大CHIME望远镜、加州理工学院欧文斯谷射电天文台、以及中国「天眼」团队，同期发表在Nature。

中国的这项研究，第一作者为北京师范大学林琳讲师，观测结果来自中国的射电望远镜（FAST）。

她本科毕业于南京大学天文系，随后在清华大学、中科院天文台攻读硕博学位。

三项观测研究证实，极强磁场中子星（磁星）是快速射电暴的来源之一。

这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴，也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体。

压力是如何让头发变白的

日常生活里有一个经验常识，那就是「压力使人白头」，但一直都未曾有过科学证实。

那么来自哈佛大学许雅捷团队，就首次揭示了「压力引起白发」这一机制是如何发生的，第一作者是张兵博士。

还被Nature评为年度最受欢迎的线上话题研究。（手动狗头）

嗯，果然最接地气的，最受关注。

许雅捷团队主要针对的是战斗、逃避这两种状态下的压力情况。

结果发现，在这两种情况中，压力激活了交感神经 （用来精细调节器官），这会对毛囊中的色素再生干细胞造成永久性损害。

具体实现路径是，交感神经延伸到皮肤上的每个毛囊中，压力会使神经释放出去甲肾上腺素。

这种物质会被附近的色素再生干细胞吸收，导致这些干细胞被过度激活，提前转化为色素产生细胞，过早地耗尽了这种干细胞存储库。

研究人员发现，几天之后，所有的色素再生干细胞都会因此消失，将无法再生色素，这种损伤是永久性的。

宇宙物质起源的证据被发现

宇宙诞生于一次大爆炸，但大爆炸之后，究竟发生了什么？

例如，科学家发现物理规律是对称的，因此大爆炸产生的正物质和反物质应该一样多。

但只要正物质撞上反物质，就会“灰飞烟灭”，如果正反物质一样多，宇宙就不会有质子电子，不会有原子，更不会有生命诞生。

是什么打破了宇宙对称性？

今年4月的这项研究，找到了打破这种对称性的粒子中微子，这是一种不带电的中性粒子，比中子更轻，有着3种“味道”：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。

在它身上，科学家发现了正物质击败反物质的原因之一。

科学家们第一次发现，中微子存在CP对称性破坏的现象，也就是说，中微子和它的反粒子振荡频率不一样。在300公里的行程中，中微子改变“味道”的可能性更高，而反中微子的这一概率则相应地低于预期。

这实际上暗示了，更大的不对称性正在早期的宇宙中发挥作用。而宇宙终极的不对称性，可能就藏在中微子的不对称中。

这是来自日本、美国、俄罗斯等12个国家的科学家们组成的T2K团队，耗时10年观察得到的结果。

冷冻电镜达到原子分辨率

光看这几个字，就听到了生物学新版教材印刷的声音。

冷冻电镜，又称低温电子显微镜，因为其高分辨率的特征，是用于结构生物学中绘制蛋白质3D形状图谱的主导工具之一（其余常用的两种：核磁共振光谱、X射线）。

它可以用来观察没有被染色或固定的标本。

今年10月，Nature同期发表的两项研究，刷新了冷冻电镜分辨率记录——1.2埃，1埃相当于0.1纳米，达到了单个原子水平。

其中一个团队表示，他们可以分辨出蛋白质和周围水分子中的单个氢原子。如果在对这个技术改进，或许可以达到1埃。

这一里程碑式的突破，也被Nature称之为「打开全新宇宙」，有助于研究人员了解蛋白质的生理和病理机制，并有助于开发出副作用更少、效果更好的药物。

激活并杀死艾滋病毒

在印象中，艾滋病无法被完全治疗。

这是因为，HIV会“潜伏”在人体一种特殊的T淋巴细胞（静息CD4+T细胞）内，平时不表达。

就连最新的抗逆转录病毒疗法（ART）也拿艾滋病毒没辙。

今年1月，来自美国埃默里大学的科学家们，就想出了新办法：先激活潜伏在免疫细胞里的病毒，再将它消灭。

利用这种原理，研究人员用两种方法，成功激活了恒河猴体内的猴免疫缺陷病毒，以及人源化小鼠体内的HIV病毒。

第一种方法，将药物AZD5582与抗逆转录病毒疗法进行结合，成功激活了12只感染HIV或SIV的猴子的T淋巴细胞中的病毒，使得这两种病毒的RNA在血液和组织中表达。人源化小鼠体内所有组织中的HIV，同样被强烈诱导。

第二种方法，则是采用抗逆转录病毒疗法结合N-803药物的方法。这种药物可以激活免疫响应必不可少的信号分子白介素-15，同时能清除抑制病毒转录的CD8+淋巴细胞，引起体内病毒的持续活化。

这项研究表明，逆转潜伏方法与适当药物相结合，可以极大地增加根除HIV的机会。

为维系血统，史前精英也乱伦

精英乱伦实锤！这次是墓地里发现的。

今年6月，来自爱尔兰都柏林圣三一大学的Cassidy等研究人员，在爱尔兰的纽格莱奇墓发现了一位男性的DNA，这一DNA显示，他是因乱伦诞生的。

这座陵墓距今已有5000年的历史，在建筑设计时，工程师采用了复杂的技术，确保位于狭长石板通道尽头的墓室，能在每年冬至前后的日出时分被照亮几分钟。

在当时，建造这种陵墓要耗费不少人力，因此，研究者们认为，这是给一位史前的权贵精英建造的，这位权贵可能借着能“控制”太阳的运动，向众人宣称自己拥有神力。

然而在对取自人体遗骸的古DNA进行分析后，研究人员发现了，葬于陵墓中的这位男性，是一级亲属乱伦的后代。也就是说，他的父母要么是亲兄弟姐妹，要么是母子或父女。

研究人员推测，这座宏伟古墓里的权贵曾经把乱伦当做维系王室血统的方式。

当然，这份报告并不仅于此。

此外，报告还涉及了一些其他重要发现，如爱尔兰石器时代人群的孤立性、新石器时代农耕群体的迁入，及农业人口与渔猎爱尔兰原住民之间的关系等，并根据碳同位素，获取了有关史前人类的饮食信息。

干扰素缺乏引发新冠重症

跟以往Nature评选不同的是，今年不意外的，多了一个命题——新冠肺炎。

这也是此次评选中唯一一项发表在Science上的研究。

来自美国、法国的研究人员发现，I型干扰素（IFN）缺失在重症COVID-19患者中扮演的重要角色。

干扰素，是动物细胞受到病毒感染后分泌的特异性糖蛋白，它具有抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫系统和抗肿瘤的作用。

因此，干扰素缺乏最直接的结果，就是会让病毒不受控制的复制和扩散。那么，对免疫系统会产生其他什么影响呢？

这两篇研究就进行了解答，他们分别从两个角度报道了I型干扰素缺失对新冠肺炎重症患者的影响。

一是，至少3.5%重症患者存在与I型干扰素相关的常染色体遗传的基因位点突变。

二是，至少10％重症患者体内存在针对I型干扰素自身中和性抗体。

这一发现为患者的筛查、治疗干预提供了一种方向。

CRISPR揭秘果蝇挑食行为

世界上有两种果蝇，一种是不挑食的果蝇，另一种是挑食的果蝇。

遗传学家喜欢的黑腹果蝇，就几乎啥都吃。而它的近亲Sechellia，那是相当挑食，仅以有毒的诺丽果为食。

于是，来自瑞士洛桑大学的研究人员，就利用今年获诺奖的技术——CRISPR-Cas9基因编辑，来研究果蝇的挑食行为。

结果发现，有一种气味受体蛋白Or22a在挑食果蝇的感觉神经元表达要比不挑食果蝇更丰富，从而导致果蝇的挑食行为。

只需稍稍改动Or22a的氨基酸序列，就造成了果蝇对诺丽果的「偏爱」。

这为我们了解大脑如何塑造个体行为差异提供了方向。

南极上空臭氧层空洞有望完全愈合

80年代，人们发现，因过度使用氟利昂等氯氟烃类制冷剂（冰箱、空调用的），导致南极上空的臭氧层出现了一个空洞。

臭氧层主要作用是吸收紫外线，其缺失除了导致紫外线抵达地面的量增加，还带来了南半球大气的变化，包括世界各地天气的剧烈改变。

例如，臭氧层空洞导致南半球大气层中高速气流南移，这会带走大量雨水，导致地区干旱。

因此，联合国于1987年签署了《蒙特利尔议定书》，逐步禁用氯氟烃。

今年3月，由Antara Banerjee领导的、来自NOAA的团队，利用各种模型模拟的结果表明，南半球高速气流已经暂时停止南移，甚至略有逆转，这确实是臭氧层恢复导致的。

Banerjee等人指出，这种高速气流移动的趋势改变，是《蒙特利尔议定书》带来的影响，如果这一现象持续下去，臭氧层空洞到本世纪中叶将有机会完全愈合。

用AI和卫星进行「全球树木普查」

来自丹麦哥本哈根大学和NASA的Brandt等人组成的研究团队，利用卫星图像分析精确定位了一大片西非土地上的每个树冠。

下一步，也许就是「全球树木普查」了。

这当中的意义，自然不必言明。我们对陆地生态系统的定义，很大程度上取决于在上面生长的木本植物。如果能掌握这些植被结构的信息，人类才能更好地了解全球生态、生物地理环境。

当前，大部分卫星数据的空间分辨率欠佳。

一张图像像素对应的土地面积最小也是100m²，这样就让研究人员要多干很多活儿。

比如在观测的同时，还要测量综合性质，像树冠覆盖度，这是从顶部往下看，被树冠遮盖的景观比例。

为此，研究人员要分析超过1.1万张分辨率为0.5米级别的图像，然而手动完成这件事情，显然不现实。

因此，这个团队借助人工智能完成了这项工作。

基于树木的特征，让AI在更大的图像中识别它们，训练数据同样采用卫星图像。

研究人员最终得到了整个毛里塔尼亚南部、塞内加尔、马斯里南部地区所有直径大于两米的树木地图，清晰展示了将来在亚米级尺度上绘制全球树冠地图的潜力。

10大发现传送门：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-8