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中國科大薛天團隊:探索光與生命的奧秘

3個月前 來源:中國科學(xué)報 觀看:34

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薛天(右二)與團隊成員在做實驗。受訪者供圖

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■本報記者 王敏T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

光,是生命體最重要的外部環(huán)境因素,也是人們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡恼彰鹘橘|(zhì)和工具。對科學(xué)家而言,光更深層次的意義在于對人類生命健康的深刻影響。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中國科大)教授薛天團隊在國際上開拓和推動了“光感受調(diào)控生命過程”的研究,取得了多項原創(chuàng)性成果。近5年來,該團隊3項成果發(fā)表于《細胞》,多次榮獲“中國科學(xué)十大進展”“中國生命科學(xué)十大進展”等獎項。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

近期,薛天團隊榮獲2024年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎基礎(chǔ)研究獎。薛天個人榮獲2024年中國科學(xué)院年度創(chuàng)新人物稱號。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“這是對我們團隊腳踏實地做基礎(chǔ)研究工作的認可,我感到非常榮幸。”薛天表示,只有在科學(xué)知識的引領(lǐng)下,合理、智慧地利用光資源,才能讓光真正成為人們健康生活的伴侶。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

開拓研究新領(lǐng)域T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

光是生命之源。生命體從誕生到進化,都是在太陽輻照下進行的。在進化的單細胞階段,生命體已經(jīng)開始演化出對光的感受能力。“比如,水藻隨著太陽光上浮或下沉,選擇最有利于它的生活環(huán)境。”薛天說,這其實就是光感受調(diào)控生命的最簡單形式。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

感受外部環(huán)境是生命體的基礎(chǔ)功能之一,而人類80%以上的信息是靠光感受輸入。隨著社會的飛速發(fā)展與現(xiàn)代化進程的加速,人造光源的出現(xiàn)改變了自然光照環(huán)境。大量的公共衛(wèi)生學(xué)調(diào)查顯示,夜間光污染與肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發(fā)病率上升密切相關(guān),但缺乏因果性證據(jù)。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“從生命的進化、生命體的基本特征以及人類生命健康這三個角度來看,光感受如何調(diào)控生命都是很值得回答的重要科學(xué)問題。”薛天說,在很長一段時間里,絕大多數(shù)視覺領(lǐng)域的研究者都在關(guān)注光感受中的圖像視覺問題,鮮有人深入研究光感受調(diào)控生命過程的機理。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

薛天研究這一問題,緣起于他在美國約翰斯·霍普金斯醫(yī)學(xué)院求學(xué)和工作的經(jīng)歷。他所在的實驗室發(fā)現(xiàn)了第三類感光細胞——自感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGC),改寫了百余年來教科書上的內(nèi)容——視網(wǎng)膜內(nèi)只有視錐、視桿兩類感光細胞。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

這個全新感光細胞的發(fā)現(xiàn),引發(fā)了薛天的濃厚興趣。2011年,他獨立解析出ipRGC的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機制,相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“隨著ipRGC的發(fā)現(xiàn)以及感光分子機制的明確,我們自然想知道這樣古老的感光細胞,在生命體中發(fā)揮什么樣的生理功能。”薛天說。也是這一年,他回到中國科大建立了“光與生命”實驗室,開始著手回答這個問題。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

10多年來,薛天帶領(lǐng)團隊首次闡述了光影響大腦發(fā)育、調(diào)控血糖代謝和誘發(fā)抑郁樣情緒等的神經(jīng)環(huán)路機制,揭示了前端視網(wǎng)膜發(fā)育與衰老過程中的關(guān)鍵基因,首次實現(xiàn)哺乳動物裸眼近紅外圖像視覺能力,開發(fā)的用于黃斑變性治療的藥物已獲批一類新藥臨床試驗,系列工作推動了光感受神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

窮盡一切手段趨近真相T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

無論是人還是其他哺乳動物,眼睛只能感受到380至760納米的可見光。能否突破自然界賦予視覺感知的物理極限?作為薛天回國后招的第一名博士研究生,馬玉乾嘗試將一種可吸收紅外光發(fā)出的可見光的上轉(zhuǎn)換納米材料導(dǎo)入小鼠視網(wǎng)膜中,首次實現(xiàn)了小鼠裸眼近紅外圖像視覺能力。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

2019年,相關(guān)研究成果在《細胞》發(fā)表后,得到廣泛關(guān)注。《科學(xué)》評論指出:“如果同樣的技術(shù)在人類身上有效,會為士兵提供夜視能力而無需佩戴夜視儀,并有可能對色盲等疾病產(chǎn)生治療效果。”該研究獲評2019年“中國生命科學(xué)十大進展”。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“薛老師教導(dǎo)我們,做科研要把短中期目標和長期目標有機結(jié)合。短中期目標的不斷達成,既積累了經(jīng)驗、增強了信心,也證實了實驗室的持續(xù)創(chuàng)新能力。同時,要保持初心,圍繞原創(chuàng)性重大科學(xué)問題長期持續(xù)攻關(guān)。只有兩者結(jié)合,才能既腳踏實地,又仰望星空。”已是中國科大特任教授的馬玉乾說,他剛進實驗室時做的一項基礎(chǔ)研究課題持續(xù)了13年,最近剛完成機理解析,正在總結(jié)成文。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

史逸銘是第二名進入薛天實驗室的博士研究生。他與合作者以小鼠為模型,從分子以及細胞層面解析了光如何影響大腦神經(jīng)元突觸的早期發(fā)育。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

史逸銘清晰地記得,這項研究源于薛天參加的一場學(xué)術(shù)會議,其中一場學(xué)術(shù)報告談及了光影響早期腦發(fā)育,這和實驗室此前觀察到的ipRGC在發(fā)育早期就開始感光密切相關(guān)。受此啟發(fā),薛天走出會場便立即決定啟動相關(guān)研究。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“研究剛開始時進展很順利,但在后期實驗中‘卡殼’了。光對腦突觸發(fā)育的調(diào)節(jié)作用,究竟會對小鼠成年后的生理行為產(chǎn)生怎樣的影響?”史逸銘一段時間內(nèi)都沒有思路。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

在一次偶然的數(shù)據(jù)分析中,史逸銘在另一個項目的行為實驗中發(fā)現(xiàn)了一個特殊現(xiàn)象:ipRGC感光蛋白被敲除的成年小鼠,其學(xué)習(xí)速度顯著慢于正常小鼠。很快,他提出,小鼠幼年時期接受的環(huán)境光通過增強大腦皮層和海馬的突觸發(fā)育,強化了動物成年后的聯(lián)想學(xué)習(xí)能力,而這一能力恰恰是皮層和海馬的關(guān)鍵特征之一。這一想法在隨后的實驗中被證實。該研究成果發(fā)表于《細胞》,獲評2022年“中國神經(jīng)科學(xué)重大進展”。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

孟建軍從復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)后,進入薛天實驗室進行博士后階段研究。經(jīng)過多年攻關(guān),他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過短波長藍光的照射刺激后,小鼠和人的血糖代謝能力都會顯著降低。這為夜間光污染導(dǎo)致糖尿病、肥胖等代謝性疾病高發(fā)的現(xiàn)象提供了神經(jīng)生理學(xué)解釋。該成果發(fā)表于《細胞》,獲評2023年“中國科學(xué)十大進展”。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“我們實驗室的課題往往周期很長,體量和內(nèi)容都很大。因為我認為實驗科學(xué)是在當(dāng)下條件下,窮盡一切技術(shù)手段和辦法趨近于真相的藝術(shù),下苦功夫不抄近路,是一名真正的科學(xué)家最應(yīng)該遵守的原則。”薛天說,逼近真理的科研過程,無論花費多少時間、投入多少精力,都是必須且值得的。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

仍有重大科學(xué)問題待解決T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

對于未來,薛天認為“光與生命”這個主題仍有重大科學(xué)問題有待解決。例如,光感受里有一個非常重要的科學(xué)問題是,人視網(wǎng)膜中的黃斑和中央凹的形成機制。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“在哺乳動物中,只有高等靈長類才具備黃斑和中央凹——在眼睛中占比約1%,大約1平方毫米,卻是人類形成精細視覺的關(guān)鍵。”薛天表示,黃斑和中央凹的發(fā)育形成機制是視覺領(lǐng)域極為重要的“圣杯”問題,值得長期深入研究。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“而在‘眼-腦’連接調(diào)控生命過程方面,我們近期比較關(guān)注光與節(jié)律的關(guān)系,以及晝夜行動物行為的來源。為什么有的動物在夜間活動,例如小鼠,為什么有的動物在白晝活動,例如人類。”薛天說,人們對這一系列科學(xué)問題背后的神經(jīng)生理學(xué)機制知之甚少。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

隨著對光與生命健康關(guān)系研究的深入,薛天提示人們要特別關(guān)注人造光的光譜、光強以及光照時間。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

具體來說,人們在白天應(yīng)該接受充足的太陽光照射,辦公室內(nèi)可布置短波長的冷光源;夜晚時,不宜過多暴露在短波長的藍光之下,客廳、臥室優(yōu)先選用暖光源。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

在轉(zhuǎn)化應(yīng)用領(lǐng)域,薛天團隊已研發(fā)出一種多色光源,可對人視網(wǎng)膜中的每一種感光細胞進行相對獨立的調(diào)控,既能在夜間保證視覺體驗,又不產(chǎn)生過多光污染問題,進而減少光污染對情緒、節(jié)律、睡眠以及代謝等的影響。T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

“一名科學(xué)工作者的學(xué)術(shù)生涯是很短暫的,能有機會走在世界前沿、嘗試解決重大科學(xué)問題,是十分幸運的。”薛天表示,“同時,科研工作又是一個持續(xù)積累的過程,需要科研人員靜下心來,不能急功近利,一步一步按照科學(xué)邏輯抽絲剝繭,一個一個問題去解決,才能在科學(xué)研究中不斷進取,有所作為。”T1E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com

《中國科學(xué)報》(2025-04-14 第1版 要聞)

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