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青少年數學之旅

科學是人類進步的階梯！在當今社會，科學技術的發展進步將為人類社會帶來巨大的效益，毫不夸張的說，科學指引并推著著人類文明的進程。

基礎科學作為科學技術的理論基石，其重要性也不言而喻，隨著經濟全球化的發展，世界各國越來越重視基礎科學，并不斷加大對基礎科研投入，與之相對，無數奮斗在最前線的科研工作者，艱苦卓絕，刻苦努力，創造出一個又一個輝煌的研究成果。

Nature作為國際頂尖的科學期刊，每年都會推選出十篇年度最具科學意義的論文。

近日，Nature發布了2019年度十佳論文，其中8篇來自Nature，1篇來自PNAS、一篇來自Science Robotics。

特別值得一提的是，在這10佳論文中，中國學者表現亮眼，復旦大學和中科院上海有機所各貢獻一篇，廣西婦幼保健院參與一篇。

這十佳論文中，生命科學領域占據半數，這恰恰體現了生命科學領域與人類息息相關，在社會、經濟、醫療和生活等領域，都能看到生命科學的影子，它無處不在，關乎著人類命運！

“超越CRISPR”：劉如謙開發新型編輯器，實現堿基自由轉換

2019年10月21日，單堿基編輯技術開創者，Broad研究所劉如謙（David R. Liu）教授在Nature雜志發表題為：Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA 的研究論文。

該研究開發了一種全新的精準基因編輯工具——先導編輯（Prime Editor），無需依賴DNA模板便可有效實現所有12種單堿基的自由轉換，而且還能有效實現多堿基的精準插入與刪除（最多插入44個堿基，或刪除80個堿基）。

Nature 雜志評論這一技術是“超精確的新型基因編輯工具”， Science 雜志評論它是“超越CRISPR”的重大突破，哈佛大學教授，CRISPR先驅喬治·丘奇（George Church）盛贊這一成果：“朝著正確方向邁出的一大步”。

先導編輯（Prime Editor），將Cas9酶（藍色）和逆轉錄酶（紅色）結合成復合物，在gRNA（綠色）的引導下，將該復合物帶到DNA雙螺旋（黃色和紫色）的特定位置，并保留在該位置插入新DNA序列。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4

復旦大學開發亨廷頓舞蹈癥潛在新藥

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1722-1

這是一篇有關神經退行性疾病的文章，該論文以：Allele-selective lowering of mutant HTT protein by HTT–LC3 linker compounds 為題，于2019年10月30日發表于Nature，文章通訊作者為復旦大學生命科學學院魯伯塤、丁澦，復旦大學信息科學與工程學院費義艷。

亨廷頓癥是由亨廷頓蛋白(HTT)中一段異常長的谷氨酰胺氨基酸殘基引起的。細胞通過自噬降解突變體亨廷頓蛋白(MHTT)，這是一種由自噬體介導的蛋白吞噬清除機制。研究團隊假設存在一種化合物，它既可以與突變的多聚谷氨酰胺束結合，又能與存在于自噬體中的LC3B蛋白相互作用，介導兩者相互作用，并最終導致MHTT被自噬體吞噬，增強細胞對MHTT的清除能力。

研究者通過小分子篩選尋找這種化合物，并利用野生型HTT進行反向篩選，從而獲得只與MHTT特異性結合（與正常HTT無相互作用）的化合物。最終，他們發現了并證明四種化合物可以有效改善三種亨廷頓氏舞蹈癥動物模型的患病癥狀。此外，研究者還表明這種治療策略也可能對其他涉及多聚谷氨酰胺束的疾病有療效。

總的來說，該研究開創性地提出基于自噬小體綁定化合物（ATTEC）的藥物研發原創概念，并巧妙地通過基于化合物芯片和前沿光學方法的篩選，發現了特異性降低亨廷頓病致病蛋白的小分子化合物，有望為亨廷頓病的臨床治療帶來新曙光。

改寫教科書！父親線粒體DNA也能夠傳遞給子女

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/115/51/13039

美國辛辛那提兒童醫學中心、臺大醫院、中國廣西婦幼保健院、貝勒醫學院和梅奧診所的研究人員在PNAS上發表了題為：Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans 的論文，發現在極少數情況下，人類線粒體DNA可以遺傳自父親，而不僅僅是母親。

真核生物(如動物、植物和真菌)的DNA存在在細胞中兩個地方：細胞核和線粒體。正常個體中，線粒體DNA（mtDNA）分子在序列上是相同的，然而，在患有mtDNA突變并導致疾病的人群中，正常和突變的mtDNA分子通常在一個細胞中共存，這種情況稱為異質性。

線粒體DNA一直被認為完全來自母親的卵細胞，沒有父源的貢獻，但是Luo等人挑戰了這一教條，他們發現有三個家族的線粒體異質性正是由雙親線粒體遺傳引起的。

先前的研究發現，線粒體自噬，一種細胞吞噬消化自身線粒體的現象，在選擇性消除父系線粒體中起重要作用。因此，該論文通過研究指出這些罕見的父系mtDNA傳遞可能是由于線粒體更替缺陷所導致。

菲律賓發現全新古人類物種“呂宋人”

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1067-9

科學家2007年至2015年在呂宋島北部一個洞穴先后發現“先前不知道的人種”的7顆牙齒化石以及6塊足骨、手骨和腿骨化石。它們屬于至少三個個體。對這些化石的分析顯示,它們距今至少5萬年至6.7萬年。科學家把這個人種命名為“呂宋人”，推測他們吃肉，使用石制工具，體型較小。

Détroit等報道一種新的未知的人類親屬的非凡發現，這無疑會引發大量的科學辯論。這個新發現的物種在菲律賓被發現并命名為Homo luzonensis，亞洲有關人類進化的認知在迅速變化，迫使人們重新審視關于早期人類從非洲擴散歐亞大陸的想法。Homo luzonensis的發現提供了更多的證據表明，直立人可能不是唯一的全球早期人類。

在Homo luzonensis中觀察到的有趣的混合性特征引發了有關該物種的祖先及其與其他人類親屬的關系的問題。這項研究報道十分具有意義，使得我們在亞洲人進化的研究變得更加混亂，更復雜且更為有趣。

吃“魚”解決微量營養素缺乏問題

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1592-6

據估計，微量營養素缺乏每年導致100萬人過早死亡，對某些國家來說，這可能會降低其國內生產總值高達11%，更加凸顯糧食政策的重點是改善營養，而不是簡單地增加糧食產量。人們從各種各樣的食物中獲得營養，但魚類可為人類提供豐富的微量營養素卻常常被忽視。本文利用超過350種海洋魚類中7種營養物質（鈣、鐵、硒、鋅、維生素A、ω-3脂肪酸和蛋白質）的濃度，環境和生態特征來預測海洋鰭類魚類的營養含量，結果如下：

文章研究結果確定了目前世界范圍內漁業漁獲物中營養物質的分布情況，部分高捕獲量地區即使降低捕獲量也不會影響當地營養狀況。多數地區，作為食物來源，魚類來得更加實惠，且對環境影響較小，漁業營養與其他動物性營養供應是相當的，漁業應成為糧食和營養的核心組成部分。

天文學

馬頭魚尾怪：海王星最小的新衛星

旅行者2號航天器在1989年飛掠海王星時發現有六顆內衛星繞其運行。據信，這些內衛星都比海王星年輕，形成于海王星捕獲其最大的衛星崔頓（Triton，海衛一）后不久。每顆內衛星都可能曾受到彗星撞擊而受損。

美國SETI（地外智慧生物搜尋）協會的Mark Showalter及其同事使用哈勃太空望遠鏡研究海王星的內衛星和環，發現了旅行者2號飛掠海王星時未觀測到的第七顆內衛星。這意味著海王星總共有14顆衛星。這一發現是通過特殊的圖像處理技術實現的，該技術使得作者能夠不受海王星內衛星高速運行的影響進行重點觀測。

2004-2016年探測到的“馬頭魚尾怪”

這顆新衛星被命名為“馬頭魚尾怪”——希臘神話中的一種海怪。它是海王星最小的衛星，平均直徑約34千米。“馬頭魚尾怪”的軌道靠近普羅透斯（Proteus，海衛八）——最大最外層的內衛星。作者認為“馬頭魚尾怪”可能是由普羅透斯被一顆大型彗星撞擊后噴射的碎片形成的。作者總結表示，這些發現進一步印證了這樣一種觀點：海王星內衛星的形成受到了無數次撞擊的影響。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0909-9

參考資料：Nature自然科研

物理

科學家可能找到了接近室溫的超導體材料

超導可以以100％的效率傳輸電能，在各個領域具有廣泛用途。然而，超導狀態僅存在于遠低于室溫（295開爾文）的溫度下，導致這些應用受到了阻礙。一個世紀以來，全球科研人員一直在尋求能夠實現室溫超導的材料，以在沒有損失的情況下輸送電流。德國馬普化學所Drozdov團隊報道了當壓力壓縮到地球大氣壓超過一百萬倍時，氫化鑭化合物在250 K時就變成超導體，這是目前已知的最接近室溫的超導體。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1201-8

參考資料：納米人

環境科學

全球變暖“腳步”加快？科學家發現格陵蘭島冰川下或有甲烷逃離

格陵蘭冰蓋是世界第二大冰蓋，面積1,833,900平方公里。由于全球氣候變暖，格陵蘭冰蓋正處于融化過程中。2016年，一項研究顯示從2003年到2013年，該地區的冰融化了將近2.7萬億噸。該論文作者指出，格陵蘭島每年融化的冰比原先估計的多180億噸，相當于5萬座帝國大廈的重量。2018年，英國《每日郵報》報道稱，格陵蘭島的冰蓋正在以前所未有的速度融化，僅20世紀以來，融水就增加了30%。研究人員稱，格陵蘭島冰蓋的融化速度已經達到了極速，且其冰流失是導致海平面上升的主要因素之一。

英國一項研究發現，格陵蘭島一600平方公里的區域在融化期至少釋放了6噸甲烷。眾所周知甲烷和二氧化碳都是造成溫室效應的罪魁禍首。據分析顯示，同等質量的兩者，甲烷的溫室效應是二氧化碳的25倍。如果全球溫度持續升高，南北極冰山將大幅度融化，海平面將大大上升，一些島嶼和沿海城市可能將被淹沒。因此，格陵蘭冰蓋融化現象應該再次引起我們高度關注。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0800-0

參考資料：中國綠發會

機器人

用AI教會四足機器人ANYmal快速爬起

蘇黎世聯邦理工學院在《Science Robotics》上面發表了一篇關于訓練四足機器人ANYmal的文章，詳細闡述了用深度學習訓練ANYmal的結果。研究人員稱，他們應用了強化學習的相對較新的方法，先為系統設定目標，然后為其提供一種測試實現這些目標的方法，在達到基準時不斷改進。測試一遍又一遍地進行，有時數千次，直到它正確為止。

在反復訓練之下，ANYmal不僅自身平衡能力更穩定。在被暴力踹倒之后，還能能立刻翻轉并站立起來，動作也像極了真實小狗的動作。

另外，由于真實實驗太過浪費時間，研究人員還開發了一種仿真模式。他們在電腦里仿真出ANYmal的虛擬版本，由于虛擬版本可以同時訓練多只ANYmal，研究人員稱，這種虛擬的學習速度是現實學習速度的1000倍。他們先讓虛擬狗自己訓練11個小時，再將結果下載到屋里機器人身上，效果可以說非常顯著。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/scirobotics.aau5872

參考資料：機器人大講堂

化學

源于“意外”的點擊化學新突破

中國科學院上海有機化學研究所有機氟化學重點實驗室董佳家研究員課題組在尋找新的SuFEx反應砌塊的過程中，意外發現一種安全，高效合成罕見的硫（VI）氟類無機化合物FSO2N3（氟磺酰基疊氮）的方法，他們同時發現該化合物對于一級胺類化合物有極高的重氮轉移反應活性和選擇性。

該成果以：Modular click chemistry libraries for functional screens using a diazotizing reagent 為題發表于Nature雜志。董佳家研究員與K. Barry Sharpless教授為文章的共同通訊作者，上海有機所為本論文的唯一通訊單位。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1589-1

結語

生命科學領域涵蓋范圍極廣，并且與人類的社會、經濟、文化和生活密切相關。近年來，世界各國對生命科學及醫療領域的研究投入持續增多，奮斗在科研領域最前線的生命科學及醫學研究者也不負眾望，發表了一篇又一篇頂尖論文，創造出一項又一項杰出的研究成果，為解決疾病、饑荒、生態破壞甚至于人類起源等問題提供重要的理論基礎。

生命科學研究與人類命運休戚相關，我們也堅信，在生命科學領域必將有更多更卓越的成就！

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03834-4

轉載來源：BioWorld

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的重磅！Nature盘点年度十佳论文，生命科学占据半壁江山，中国学者表现亮眼的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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